[논문 리뷰] Implementation of quantum compression on IBM quantum computers

Matej Pivoluska, Martin Plesch|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 26.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 IBM 양자 프로세서에 3에서 2 큐비트 양자 압축 알고리즘을 구현하며, 회로 깊이와 오류를 최소화하기 위해 최적화된 트랜스파일을 활용한다. 3개의 큐비트를 2개로 압축하는 것은 단순해 보이지만, 전체 압축-해제 주기의 성능은 현재 하드웨어의 정밀도와 비가역성 한계를 초과하여, 트랜스파일과 하드웨어 연결성의 핵심적 역할을 부각시킨다.

ABSTRACT

Advances in development of quantum computing processors brought ample opportunities to test the performance of various quantum algorithms with practical implementations. In this paper we report on implementations of quantum compression algorithm that can efficiently compress unknown quantum information. We restricted ourselves to compression of three pure qubits into two qubits, as the complexity of even such a simple implementation is barely within the reach of today's quantum processors. We implemented the algorithm on IBM quantum processors with two different topological layouts - a fully connected triangle processor and a partially connected line processor. It turns out that the incomplete connectivity of the line processor affects the performance only minimally. On the other hand, it turns out that the transpilation, i.e. compilation of the circuit into gates physically available to the quantum processor, crucially influences the result. We also have seen that the compression followed by immediate decompression is, even for such a simple case, on the edge or even beyond the capabilities of currently available quantum processors.

연구 동기 및 목표

• 실제 IBM 양자 프로세서에서 3에서 2 큐비트 양자 압축 알고리즘을 구현하고 테스트하는 것.
• 양자 프로세서의 구조(완전 연결 대 부분 연결)가 알고리즘 정밀도에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 트랜스파일이 실제 하드웨어에서 양자 회로 성능에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 현재 노이지 중간 규모 양자(NISQ) 장치에서 전체 압축-해제 주기를 실행하는 것이 가능한지 평가하는 것.

제안 방법

• 3에서 2 압축 알고리즘은 제어 U3 게이트, CNOT 게이트 및 양자 색스-베이글 변환(QSWT)을 사용한 게이트 모델로 구현된다.
• 논리적 게이트를 네이티브 기초 게이트로 매핑하기 위해 Qiskit의 transpile 함수를 사용하여 최적화 수준(0에서 3)을 다양하게 설정한다.
• 알고리즘은 U3 게이트 및 분리 회로로 하위회로로 분할되어 타겟 트랜스파일이 수행되며, 이후 재결합 및 추가 최적화가 이루어진다.
• 최적화 수준 3, 2, 1을 순차적으로 적용하여 효율적인 회로를 생성하며, 최고 성능을 보이는 변형을 선택하기 위해 확률적 샘플링을 사용한다.
• 정밀도는 시뮬레이션에서 100만 번의 샷과 하드웨어 실행에서 8192 번의 샷을 사용하여 최종 해제된 상태를 이상적인 목표 상태 |ψ⟩⊗3와 비교하여 측정된다.
• 이 연구는 두 개의 IBM 백엔드인 ibmq_5_yorktown과 ibmq_bogota에서 기본 회로와 최적화된 회로를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IBM 양자 프로세서의 연결성 구조(삼각형 대 선형)가 양자 압축 회로의 정밀도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 트랜스파일이 실제 하드웨어에서 양자 회로의 성공률과 정밀도에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ3 현재 NISQ 장치에서 3에서 2 큐비트 양자 압축-해제 주기를 성공적으로 실행할 수 있는가?
• RQ4 Qiskit의 트랜스파일러에서 최적화 수준이 회로 깊이와 오류 누적을 최소화하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 이 양자 압축 작업에서 시뮬레이션 결과와 실제 하드웨어 실행 결과의 정밀도는 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 트랜스파일 과정은 회로 정밀도에 결정적인 영향을 미치며, 최적화된 트랜스파일이 기본 컴파일보다 훨씬 우수한 결과를 낳는다.
• 완전 연결된 삼각형 프로세서(ibmq_bogota)는 압축-해제 주기에서 최대 정밀도 0.876을 달성했고, 선형 프로세서(ibmq_5_yorktown)는 0.651에 그쳤다.
• 최적화를 적용한 후에도 ibmq_bogota에서 전체 압축-해제 주기의 정밀도는 0.876에 머물러 있어 현재 하드웨어 능력의 한계에 가까이 있다는 것을 시사한다.
• ibmq_bogota에서의 하드웨어 실행 정밀도는 항상 시뮬레이션보다 낮았으며, 10회의 실행에서 표준편차 ±0.03를 보이며 높은 노이즈 민감도를 나타냈다.
• 최적화 없이 트랜스파일된 기본 회로는 ibmq_bogota에서 정밀도 0.358에 그쳤으며, 이는 회로 최적화의 필수성을 입증한다.
• 가장 효율적인 회로는 단지 10개의 CNOT 게이트를 가졌으며, 트랜스파일 시도의 약 10%에서만 도달되었으며, 낮은 깊이의 회로는 드물지만 실현 가능하다는 것을 보여준다.