[논문 리뷰] Leveraging Secondary Storage to Simulate Deep 54-qubit Sycamore Circuits

Edwin Pednault, John A. Gunnels외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 21.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 19인용 수 128

한 줄 요약

논문은 secondary-storage 기반 텐서 네트워크 시뮬레이션을 다듬어 Summit에서 심도 53- 및 54-퀘빗 Sycamore 회로를 실행하고 고충실도 진폭과 상세 실행 시간 추정치를 달성한다.

ABSTRACT

In a recent paper, we showed that secondary storage can extend the range of quantum circuits that can be practically simulated with classical algorithms. Here we refine those techniques and apply them to the simulation of Sycamore circuits with 53 and 54 qubits, with the entanglement pattern ABCDCDAB that has proven difficult to classically simulate with other approaches. Our analysis shows that on the Summit supercomputer at Oak Ridge National Laboratories, such circuits can be simulated with high fidelity to arbitrary depth in a matter of days, outputting all the amplitudes.

연구 동기 및 목표

• secondary storage를 사용한 깊은 양자 회로에 대한 고전적 시뮬레이션 도달 범위 확장.
• Sycamore ABCDCDAB 패턴에 수축 연기(contract deferral)와 텐서 슬라이싱을 적용.
• 디스크 I/O와 노드 간 통신을 최소화하는 확장 가능한 시뮬레이션 전략 개발.
• Summit에서 53/54-퀘빗 회로를 시뮬레이션하기 위한 시간 및 자원 추정치 제공.

제안 방법

• 양자 회로를 텐서 네트워크로 표현하고 초간선(hyperedge) 표현을 사용하여 분리 가능한 텐서를 식별한다.
• 수축 연기를 사용하여 인접하지 않은 텐서 수축을 가능하게 하고 메모리 사용량을 줄인다.
• 회로를 부분 회로와 하위 부분 회로로 분할하고 부분에 대해 Schrödinger 진화를 사용하여 시뮬레이션한다.
• 인덱스를 고정하고 주요/보조 저장소 접근을 구성하기 위해 텐서 슬라이싱을 적용한다.
• 메인 메모리보다 큰 상태를 관리하기 위해 텐서 슬라이스를 디스크에 저장 및 스트리밍한다.
• 연산을 5-퀘빗 커널로 묶어 성능 모델링을 단순화하고 기존 벤치마크를 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 secondary storage가 53- 및 54-퀘빗 Sycamore 회로의 고전적 시뮬레이션 한계에 도달할 수 있는가?
• RQ2 어떤 분할, 슬라이싱, 연기 전략이 높은 충실도로 실현 가능한 시뮬레이션을 가능하게 하는가?
• RQ3 Summit에서 ABCDCDAB 패턴 회로를 시뮬레이션하기 위한 추정 실행 시간과 저장소 필요량은 무엇인가?
• RQ4 디스크 I/O, 소켓 간 통신, 텐서 수축이 총 비용에 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• 제안된 전략은 Summit에서 53- 및 54-퀘빗 Sycamore 회로를 임의 깊이까지 고충실도로 시뮬레이션하고 모든 진폭을 출력할 수 있다.
• 20 사이클 회로의 경우 모든 진폭을 디스크에 저장할 때 53퀘빗은 2.55일, 54퀘빗은 5.80일의 실행 시간으로 추정된다.
• 디스크 저장 요구량은 53퀘빗 회로에 대해 64 PiB, 54퀘빗 회로에 대해 128 PiB로서 Summit의 250 PiB 용량 내에 있다.
• 데스크 기반 45-퀘빗 슬라이스와 재귀적 분할을 사용하여 8,192 소켓 전체의 계산 및 통신 비용을 관리한다.
• 게이트 집계(최대 5-퀘빗 커널)와 브리슬-브러시(contract) 수축 전략은 수축 비용과 FLOP-속도 추정의 기초가 된다.
• 깊이가 10–36 사이인 깊이에서도 방법론은 일반화되며, 실행 시간은 회로 깊이와 거의 선형으로 증가한다.