[논문 리뷰] Clifford-based Circuit Cutting for Quantum Simulation

Kaitlin N. Smith, Michael A. Perlin외 6명|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 19.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 클리포드 기반 시뮬레이션과 회로 커팅을 결합하여 근클리포드 양자 회로의 효율적이고 고정밀도 시뮬레이션을 가능하게 하는 새로운 양자 회로 시뮬레이션 프레임워크인 SuperSim을 소개한다. 클리포드 조각을 분리하여 효율적으로 시뮬레이션하고, 회로 커팅을 통해 전체 회로 출력을 재구성함으로써, 보다 작은 고전적 자원으로도 수백 큐비트의 회로를 빠르게 시뮬레이션할 수 있으며, 주요 벤치마크에서 최신 기술보다 수십 배에서 수백 배 빠른 성능을 보인다.

ABSTRACT

Quantum computing has potential to provide exponential speedups over classical computing for many important applications. However, today's quantum computers are in their early stages, and hardware quality issues hinder the scale of program execution. Benchmarking and simulation of quantum circuits on classical computers is therefore essential to advance the understanding of how quantum computers and programs operate, enabling both algorithm discovery that leads to high-impact quantum computation and engineering improvements that deliver to more powerful quantum systems. Unfortunately, the nature of quantum information causes simulation complexity to scale exponentially with problem size. In this paper, we debut Super.tech's SuperSim framework, a new approach for high fidelity and scalable quantum circuit simulation. SuperSim employs two key techniques for accelerated quantum circuit simulation: Clifford-based simulation and circuit cutting. Through the isolation of Clifford subcircuit fragments within a larger non-Clifford circuit, resource-efficient Clifford simulation can be invoked, leading to significant reductions in runtime. After fragments are independently executed, circuit cutting and recombination procedures allow the final output of the original circuit to be reconstructed from fragment execution results. Through the combination of these two state-of-art techniques, SuperSim is a product for quantum practitioners that allows quantum circuit evaluation to scale beyond the frontiers of current simulators. Our results show that Clifford-based circuit cutting accelerates the simulation of near-Clifford circuits, allowing 100s of qubits to be evaluated with modest runtimes.

연구 동기 및 목표

• 큰 양자 회로의 지수적 고전적 시뮬레이션 비용 문제를 해결하기 위해, 특히 노이즈가 있는 중규모 양자(NISQ) 시대에 대응한다.
• 근클리포드 회로에 내재된 구조적 특성을 활용하여 기존 시뮬레이터의 확장성 한계를 극복한다.
• 양자 응용 프로그램을 위한 벤치마킹과 알고리즘 개발을 가능하게 하는 실용적이고 고성능의 시뮬레이션 프레임워크를 개발한다.
• 효율적인 클리포드 시뮬레이션과 회로 커팅을 조합하여 고전적 하드웨어를 사용해 수백 큐비트의 회로를 시뮬레이션할 수 있도록 한다.
• 확장 가능한 백엔드 지원을 통해 향후 실제 양자 하드웨어 및 다양한 시뮬레이터와의 통합을 지원한다.

제안 방법

• 프레임워크는 큰 양자 회로에서 클리포드 조각을 식별하고 고립시켜 하위 회로로 분해한다.
• 클리포드 하위회로는 Stim 기반의 시뮬레이션 백엔드를 통해 2차원 고전적 복잡도로 효율적으로 시뮬레이션된다.
• 비클리포드 조각은 회로에서 분리되어 별도로 실행되며, 결과는 회로 커팅 재구성 절차를 통해 재결합된다.
• 재구성 과정은 하위회로 시뮬레이션에서 유도된 확률 분포를 조합하여 전체 회로 출력을 복원하는 스티칭 방정식을 사용한다.
• 최적화로는 클리포드 회로에서 파울리 기대값이 0으로 알려진 경우, 하류 스티칭 계산을 생략하는 방법이 포함되어 있다.
• 향후 확장으로는 파싱, 시뮬레이션, 후처리 단계의 병렬화, GPU 가속, 실제 양자 하드웨어 및 다른 시뮬레이터와의 하이브리드 실행 지원이 계획되어 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 클리포드 시뮬레이션과 회로 커팅을 조합함으로써 대규모 근클리포드 양자 회로의 확장 가능한 시뮬레이션을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 SuperSim의 성능는 근클리포드 회로에 대해 런타임과 정밀도 측면에서 최신 기술적 시뮬레이터와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 클리포드 회로의 구조적 특성—특히 다중 큐비트 시스템에서 많은 파울리 기대값이 0임을 고려할 때—회로 커팅의 계산 오버헤드를 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ4 현재 구현으로서 SuperSim이 효율적으로 시뮬레이션할 수 있는 큐비트 수의 상한은 얼마인가?
• RQ5 고전적 시뮬레이터와 실제 양자 하드웨어 간의 동적 백엔드 선택은 시뮬레이션 효율성을 어떻게 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• SuperSim은 보다 작은 고전적 런타임으로도 근클리포드 양자 회로를 수백 큐비트 규모로 시뮬레이션할 수 있으며, 이는 이전의 시뮬레이터가 달성하지 못한 능력이다.
• 2개의 근클리포드 회로를 포함한 주요 벤치마크 응용 프로그램에서 SuperSim은 최신 기술 대비 수십 배에서 수백 배 빠른 성능을 기록했다.
• 클리포드 하위회로 고립을 통해 시뮬레이션 비용이 감소하였으며, 클리포드 회로는 큐비트 수에 대해 2차원 복잡도를 보이며 지수적 증가를 피하기 때문이다.
• 다수의 파울리 기대값이 클리포드 상태에서 0임을 고려함으로써 하류 스티칭 계산을 줄일 수 있었으며, 특히 다중 큐비트 시스템에서 두드러진다.
• 회로 파싱, 하위회로 시뮬레이션, 후처리 단계의 병렬화를 통해 성능을 추가로 향상시킬 수 있으며, GPU 및 다중 코어 지원이 계획되어 있다.
• SuperSim의 오픈소스 배포는 양자 알고리즘 설계, 오류 수정, 하드웨어 개발 분야의 연구를 가속화할 것으로 기대된다.