[논문 리뷰] Origin Pilot: a Quantum Operating System for Effecient Usage of Quantum Resources

Weicheng Kong, Junchao Wang외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 22.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 1인용 수 8

한 줄 요약

Origin Pilot는 지능적인 작업 스케줄링, 동적 양자 자원 관리, 자동 큐비트 캘리브레이션, 최적화된 큐비트 매핑을 통해 양자 자원 활용도를 향상시키는 양자 운영체제입니다. 이는 평균적으로 양자 회로의 정밀도를 최대 10% 향상시키며, 여러 양자 프로세서에서 동시 실행을 가능하게 하여 정지 시간을 크게 줄이고, 변동하는 큐비트 조건에서도 높은 성능을 유지합니다.

ABSTRACT

The operating system is designed to manage the hardware and software resources of a computer. With the development of quantum computing, the management of quantum resources and cooperation between quantum systems and other computing resources (e.g. CPU, GPU and FPGA etc.) become the key challenge for the application of quantum computing to solve real world problems. In this paper we propose a quantum operating system, Origin Pilot. Origin Pilot includes the module of quantum task scheduling, quantum resource management, quantum program compilation and qubits' automatic calibration. With these modules, Origin Pilot can manage the quantum computing resources and solve the multi-quantum processor scheduling problem. It can also allow the parallel execution of multiple quantum programs and calibrate the quantum resource effectively. Thus, the performance of resources is guaranteed and the resource utilization is improved. By comparing the results with and without Origin Pilot, we evaluate the impact on a quantum circuit's fidelity of qubits mapping algorithm. We also evaluate the effectiveness of automatic calibration and parallel execution of multi-quantum processors. Finally, Origin Pilot can be easily customized for hybrid computing resources.

연구 동기 및 목표

• 단일 사용자 및 스케줄링이 없는 액세스 모델로 인한 클라우드 환경 내 양자 프로세서의 자원 낭비 문제를 해결하기 위해.
• 환경적 노이즈와 수동 캘리브레이션 부족으로 인한 큐비트 정밀도 변동 문제를 해결하기 위해.
• 여러 양자 프로세서를 통해 여러 양자 프로그램의 동시 실행을 가능하게 하기 위해.
• 고정밀 큐비트를 우선시하는 지능적인 큐비트 매핑을 통해 양자 회로의 정밀도를 향상시키기 위해.
• 실세계 구현을 고려한 사용자 정의가 가능하고 하이브리드 컴퓨팅 환경에 대응하는 양자 운영체제를 설계하기 위해.

제안 방법

• 작업 요구사항과 프로세서 가용성에 따라 자원을 동적으로 할당하는 양자 작업 스케줄링 모듈을 구현하기 위해.
• 다중 프로세서 액세스와 로드 밸런싱을 지원하는 양자 자원 관리 시스템을 도입하기 위해.
• 정밀도가 임계값 이하로 떨어지면 캘리브레이션을 트리거하는 자동 큐비트 캘리브레이션 엔진을 개발하기 위해 (이중 큐비트 게이트의 경우 0.95, 단일 큐비트 게이트의 경우 0.98).
• 회로 트랜스파일레이션 중 게이트 오류 전파를 최소화하기 위해 고정밀 큐비트 쌍을 선택하는 큐비트 매핑 알고리즘을 설계하기 위해.
• 대상 하드웨어 토폴로지와 노이즈 프로파일에 최적화된 회로를 컴iles하는 양자 프로그램 컴파일링 파이프라인을 통합하기 위해.
• 상호 회로 간 의존성과 자원 격리 분석을 통해 공유된 양자 하드웨어에서 여러 양자 프로그램의 동시 실행을 가능하게 하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 사용자 양자 클라우드 환경에서 양자 자원 활용도는 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 자동 큐비트 캘리브레이션은 얼마나 높은 게이트 정밀도를 유지하고 시스템 장애 시간을 줄일 수 있는가?
• RQ3 지능적인 큐비트 매핑은 컴iles된 양자 회로의 정밀도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 공유된 양자 하드웨어에서 여러 양자 프로그램의 동시 실행은 효과적으로 스케줄링되고 격리될 수 있는가?
• RQ5 양자 운영체제 모듈의 통합은 전체 시스템 성능과 확장성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 자동 캘리브레이션을 적용한 결과, 단일 큐비트 게이트의 정밀도는 0.98 이상으로 유지되었고, 이중 큐비트 게이트의 정밀도는 0.95 이상을 유지했으며, 캘리브레이션 없이 운영할 경우 정밀도가 시간이 지남에 따라 저하되는 것으로 나타났다.
• Origin Pilot를 통해 정지 시간이 감소하고 지속적인 고성능이 유지되면서 실행 가능한 양자 작업 수가 크게 증가하였다.
• Origin Pilot의 큐비트 매핑 알고리즘은 BMT와 같은 기준 방법 대비 평균적으로 양자 회로 정밀도를 최대 10% 향상시켰다.
• Origin Pilot가 탑재된 양자 프로세서는 캘리브레이션 주기 동안도 정상적으로 운영되었고, 캘리브레이션되지 않은 시스템은 결국 새로운 작업을 실행하지 못하는 상황에 이르렀다.
• 시스템은 여러 프로세서를 통해 여러 양자 프로그램의 동시 실행을 성공적으로 구현하여 대기 지연을 감소시켰다.
• Origin Pilot는 하이브리드 컴퓨팅 아키텍처와의 호환성을 입증하였으며, CPU, GPU, FPGA와 같은 고전적 자원과의 통합을 지원함을 보였다.