[논문 리뷰] Next-Generation Topology of D-Wave Quantum Processors

Kelly Boothby, P. Bunyk외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 29.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 17인용 수 56

한 줄 요약

D-Wave의 Pegasus 토폴로지를 소개하고, 그 구조, Chimera에 비한 임베딩 이점, 그리고 간단한 Ising 모델에 대한 초기 성능 결과를 자세히 설명한다.

ABSTRACT

This paper presents an overview of the topology of D-Wave's next-generation quantum processors. It provides examples of minor embeddings and discusses performance of embedding algorithms for the new topology compared to the existing Chimera topology. It also presents some initial performance results for simple, standard Ising model classes of problems.

연구 동기 및 목표

• Pegasus 계열 토폴로지와 그것들이 Chimera를 확장하는 방식 제시
• Pegasus의 그래프 이론적 구조, 커플러 유형, 그리고 큐비트 차수에 대해 설명한다.
• 이미 알려진 Chimera 임베딩이 Pegasus로 어떻게 변환되는지 시연하고 임베딩 효율성을 평가한다.
• Pegasus와 Chimera를 비교하기 위한 간단한 Ising-모델 계급에 대한 초기 성능 결과를 제공한다.

제안 방법

• 공식적 설명 및 좌표계를 포함하여 Pegasus 토폴로지 P_M를 정의한다.
• 세 번째 커플러 유형(odd couplers)을 도입하고 세 가지 커플러 세트(external, odd, internal)를 명시한다.
• Pegasus 내에서 clique, biclique, 및 3D/2D 격자를 위한 구성적 임베딩 프레임워크를 제공한다.
• 다양한 문제 세트에 대해 Minorminer를 사용하여 Pegasus와 Chimera 간의 휴리스틱 임베딩 성능을 비교한다.
• Pegasus의 트리폭을 분석하고 Chimera와 대비하여 알고리즘적 함의를 논의한다.
• odd couplers를 활용하여 논리적 에너지 규모를 증가시키는 오류 수정 체계를 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Pegasus 토폴로지가 Chimera에 비해 구조화된 문제와 비구조화된 문제에서 임베딩 효율성을 어떻게 향상시키는가?
• RQ2 Pegasus에서 달성 가능한 임베딩 한계(클릭, 바이클릭, 격자)와 체인 길이가 어떻게 규모화되는가?
• RQ3 Pegasus가 트리폭과 Ising-모델 문제의 계산 난이도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 새로운 odd couplers가 논리 큐비트의 실용적 오류 수정 및 에너지 규모 이득을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ5 표준 휴리스틱 임베딩 및 고전적 최적화 벤치마크가 Pegasus 대 Chimera에서 어떻게 수행되는가?

주요 결과

• Pegasus는 다양한 문제 세트에서 Chimera에 비해 평균 체인 길이를 약 50-60% 감소시킨다.
• Pegasus는 더 높은 연결성(도 degree 15, 큐비트 길이 12)을 가지며 Chimera에는 없는 새로운 부분그래프 유형(K4 및 K6,6)을 지원한다.
• Pegasus는 체인 길이가 M 또는 M+1인 12(M-1)까지 더 큰 clique 임베딩을 가능하게 하고, 체인 길이 M-1인 K_{12M-20,12M-20}까지의 biclique를 가능하게 한다.
• Pegasus에서의 입방 격자 임베딩은 P_M에서 체인 길이 2로 (M-1)×(M-1)×12까지 확장되며 Chimera보다 더 효율적이다.
• Pegasus 트리폭은 12M-11과 12M-4 사이에 위치하며 Chimera의 4M보다 크므로 서로 다른 알고리즘적 특성과 잠재적 난이도를 시사한다.
• odd couplers를 사용한 초기 오류 수정 체계는 논리 상호작용에 내부 커플러만 사용할 때 논리 에너지 규모를 네 배까지 증가시킬 수 있다.