[논문 리뷰] Atomique: A Quantum Compiler for Reconfigurable Neutral Atom Arrays

Hanrui Wang, Pengyu Liu외 7명|arXiv (Cornell University)|2023. 11. 25.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 필드-프로그래ivable 큐비트 어레이(FPQA)를 위한 확장 가능한 양자 컴파일링 프레임워크인 FPQA-C를 소개한다. FPQA는 장거리 게이트 오버헤드를 줄이기 위해 동적 원자 이동을 가능하게 하는 새로운 중성 원자 양자 아키텍처이다. 고도로 병렬화된 라우터와 함께 계층적 큐비트 어레이 및 큐비트-원자 매핑기 기반으로, FPQA-C는 최상위 대안들인 초전도 및 고정 원자 어레이 대비 2Q 게이트 수를 최대 5.3배 감소시키고 회로 깊이를 최대 3.6배 감소시킨다.

ABSTRACT

The neutral atom array has gained prominence in quantum computing for its scalability and operation fidelity. Previous works focus on fixed atom arrays (FAAs) that require extensive SWAP operations for long-range interactions. This work explores a novel architecture reconfigurable atom arrays (RAAs), also known as field programmable qubit arrays (FPQAs), which allows for coherent atom movements during circuit execution under some constraints. Such atom movements, which are unique to this architecture, could reduce the cost of long-range interactions significantly if the atom movements could be scheduled strategically. In this work, we introduce Atomique, a compilation framework designed for qubit mapping, atom movement, and gate scheduling for RAA. Atomique contains a qubit-array mapper to decide the coarse-grained mapping of the qubits to arrays, leveraging MAX k-Cut on a constructed gate frequency graph to minimize SWAP overhead. Subsequently, a qubit-atom mapper determines the fine-grained mapping of qubits to specific atoms in the array and considers load balance to prevent hardware constraint violations. We further propose a router that identifies parallel gates, schedules them simultaneously, and reduces depth. We evaluate Atomique across 20+ diverse benchmarks, including generic circuits (arbitrary, QASMBench, SupermarQ), quantum simulation, and QAOA circuits. Atomique consistently outperforms IBM Superconducting, FAA with long-range gates, and FAA with rectangular and triangular topologies, achieving significant reductions in depth and the number of two-qubit gates.

연구 동기 및 목표

• FPQA에서 동적 원자 재구성 기능을 통해 고정 원자 어레이(FAA)의 높은 SWAP 오버헤드 문제를 해결한다.
• 비중첩 원자 이동과 병행 불가능한 엣지 집합과 같은 FPQA의 하드웨어 제약 조건을 새로운 컴파일링 프레임워크로 극복한다.
• 오류 예산과 코드 거리 분석을 통한 고장 내성 보장 조건 하에 FPQA에서 회로 깊이와 2Q 게이트 수를 최소화한다.
• NISQ 및 고장 내성 양자 계산 워크로드를 모두 지원하는 확장 가능한 히우리스틱 기반 컴파일 스택을 개발한다.
• 엄격한 하드웨어 제약 조건 하에서 원자 이동과 게이트 작업을 동시 스케줄링하여 2Q 게이트 실행의 고도의 병렬성을 실현한다.

제안 방법

• 2Q 게이트의 배열 간 상호작용 수를 극대화하고 SWAP 연산 수를 최소화하기 위해 게이트 주파수 그래프 상에서 MAX k-Cut 문제로 큐비트 어레이 매핑을 수식화한다.
• 하드웨어 제약 위반을 방지하면서 하중 균형을 고려해 큐비트를 특정 원자에 할당하는 큐비트-원자 매핑기를 설계한다.
• 반복적으로 병행 가능한 2Q 게이트와 조율된 원자 이동을 식별하고 스케줄링하는 고병렬성 라우터를 구현한다.
• 원자 위치에 따라 가능한 모든 큐비트 상호작용을 기록하기 위해 조건부 엣지 집합을 포함한 동적 다중분할 결합 그래프로 FPQA 하드웨어를 모델링한다.
• 원자 이동 및 이동 오류 모델을 회로 시뮬레이션에 통합하여 표면 코드 오류 정정 하에 논리적 오류율과 자원 요구량을 추정한다.
• 실험적 피팅을 통해 논리적 오류율 스케일링을 유도한다: $ p_l = \alpha \cdot (p^*)^d $, $ \alpha_{FPQA} = 0.0265 $, $ p^*_{FPQA} = 0.0112 $로, 큐비트 셸빙 기반 FAA 대비 더 높은 오류 임계값을 보여준다.

Figure 1: The architecture of Field Programmable Qubit Array (FPQA) quantum computer which contains fixed and movable atoms. It has several hardware constraints posing challenges to the compilation framework.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FPQA에서 동적 원자 재구성 기능이 고정 원자 어레이 대비 2Q 게이트 오버헤드를 크게 줄일 수 있는가?
• RQ2 비중첩 이동과 병행 불가능한 엣지 집합과 같은 엄격한 하드웨어 제약 조건 하에서 원자 이동과 2Q 게이트 실행을 효율적으로 스케줄링할 수 있는 컴파일링 프레임워크는 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ3 FPQA-C는 QAOA, 양자 시뮬레이션, QASMBench를 포함한 다양한 양자 워크로드에서 회로 깊이와 2Q 게이트 수를 얼마나 향상시키는가?
• RQ4 코드 거리에 따라 FPQA의 논리적 오류율은 어떻게 스케일링되며, 동일한 오류 예산 하에서 큐비트 셸빙 기반 FAA와 비교해 어떻게 다른가?
• RQ5 SLM과 AOD 간 원자 이동이 회로 신뢰성에 어떤 영향을 미치며, 이는 컴파일 스택에서 어떻게 완화될 수 있는가?

주요 결과

• FPQA-C는 20개 이상의 벤치마크에서 IBM 초전도 프로세서 대비 2Q 게이트 수를 최대 5.3배 감소시켰다.
• IBM 초전도 프로세서 대비 회로 깊이를 최대 3.6배 감소시켰으며, 고정 원자 어레이(FAA)의 사각형, 삼각형, 장거리 게이트 토폴로지 대비 각각 3.2배, 3.1배, 2.2배 향상되었다.
• FPQA의 논리적 오류율은 $ p_l = 0.0265 \cdot (0.0112)^d $로 스케일링되며, 큐비트 셸빙 기반 FAA($ \alpha_{FAA} = 0.0299 $, $ p^*_{FAA} = 0.0101 $) 대비 더 높은 오류 임계값과 낮은 오류 계수를 보여준다.
• FPQA-C는 원자 이동과 게이트 작업을 동시 스케줄링하여 2Q 게이트 실행의 고도의 병렬성을 달성했으며, 주의 깊은 라우팅을 통해 원치 않는 라이드버그 상호작용을 방지했다.
• MAX k-Cut 기반 큐비트 어레이 매핑을 통해 배열 간 2Q 게이트 수를 극대화함으로써 SWAP 게이트 의존도를 줄였고, 이로 인해 오버헤드가 크게 감소했다.
• 자원 추정 결과, 이동 및 이동 오류로 인한 오류 전파가 감소함에 따라, 동일한 오류 예산을 달성하기 위해 FPQA는 FAA보다 더 적은 물리적 큐비트 수와 낮은 코드 거리를 필요로 한다.

Figure 2: Illustrations of 1Q gates and 2Q gates in FPQA.