[논문 리뷰] QFAST: Conflating Search and Numerical Optimization for Scalable Quantum Circuit Synthesis

Ed Younis, Koushik Sen외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 12.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 4

한 줄 요약

QFAST는 일반 게이트에 회로 토폴로지와 유니터리 변환을 인코딩함으로써 회로 구조에 대한 전수 검색을 효율적인 수치 최적화로 대체하는 확장 가능한 양자 회로 합성 알고리즘입니다. 네 큐비트까지 최적에 비해 1.19배 길지만, 컴파일 속도가 3.55배 빨라지고, 일곱 큐비트까지 스케일업하여 Qiskit의 룰 기반 방법에 비해 최대 331배 더 짧은 회로를 생성합니다.

ABSTRACT

We present a quantum synthesis algorithm designed to produce short circuits and to scale well in practice. The main contribution is a novel representation of circuits able to encode placement and topology using generic "gates", which allows the QFAST algorithm to replace expensive searches over circuit structures with few steps of numerical optimization. When compared against optimal depth, search based state-of-the-art techniques, QFAST produces comparable results: 1.19x longer circuits up to four qubits, with an increase in compilation speed of 3.6x. In addition, QFAST scales up to seven qubits. When compared with the state-of-the-art "rule" based decomposition techniques in Qiskit, QFAST produces circuits shorter by up to two orders of magnitude (331x), albeit 5.6x slower. We also demonstrate the composability with other techniques and the tunability of our formulation in terms of circuit depth and running time.

연구 동기 및 목표

• NISQ 시대 장치를 위한 검색 기반 양자 회로 합성 알고리즘의 확장성 한계를 해결하기 위해.
• 조합적 검색 대신 압축되고 토폴로지 인식된 게이트 표현에서의 수치 최적화를 통해 회로 깊이와 컴파일 시간을 줄이기 위해.
• 기존 네이티브 게이트 합성 도구와의 조합 가능성과 회로 깊이 및 런타임 간의 조정 가능성을 제공하기 위해.
• 네 큐비트를 초월해도 높은 품질의 근사치를 유지하면서 양자 회로 합성을 확장하기 위해.
• 실세계 양자 알고리즘을 위한 깊이, 속도, 하드웨어 인식 능력 간의 균형을 이룬 실용적인 근사 합성 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• QFAST는 세 단계의 계층적 합성 접근 방식을 사용합니다: 먼저, 유닛리 함수와 큐비트 위치를 모두 인코딩한 일반 게이트(m < n개 큐비트)로 회로를 구축합니다.
• 각 일반 게이트는 토폴로지 인식 형식을 사용해 목표 유니터리와의 거리가 최소가 되도록 단일 수치 최적화 단계를 통해 특수화됩니다.
• 알고리즘은 하향식으로 작동하며, 최적화된 작은 게이트들을 조합해 더 큰 게이트로 확장해 나가며, 최종적으로 n-큐비트 회로에 도달합니다.
• 최종 회로는 제3자 도구에서 제공하는 네이티브 게이트 분해를 사용해 재구성되며, 기존 합성 파이프라인과의 조합 가능성을 보장합니다.
• 일반 게이트 공간의 목적 함수를 네이티브 게이트 공간에서 분리함으로써 세밀한 근사 제어가 가능합니다.
• QFAST는 임의의 게이트 세트와 큐비트 연결성을 지원하여 다양한 양자 하드웨어 타겟에 적응 가능합니다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 4 큐비트를 초월해도 근사 최적의 회로 깊이를 달성하면서도 효율적으로 확장 가능한 양자 회로 합성 알고리즘이 존재할 수 있는가?
• RQ2 토폴로지 인식된 방식으로 조합적 검색을 수치 최적화로 대체할 경우, 회로 품질을 희생시키지 않고 컴파일 시간을 크게 줄일 수 있는가?
• RQ3 QFAST의 성능은 최적의 검색 기반 방법(QSearch 등)과 룰 기반 컴파일러(Qiskit 등)에 비해 회로 깊이와 실행 시간 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ4 QFAST는 기존 네이티브 게이트 합성 도구와 얼마나 잘 조합되어 확장성과 근사 품질을 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 응용 프로그램의 특성에 맞게 회로 깊이와 컴파일 시간 간의 트레이드오���을 조정할 수 있는가?

주요 결과

• QFAST는 QSearch가 생성한 최적 깊이 회로에 비해 평균 1.19배 길지만, 컴파일 속도는 평균 3.55배 더 빠릅니다.
• QFAST는 네 큐비트를 초월해 일곱 큐비트까지 스케일업할 수 있어, 일반적으로 네 큐비트로 제한되는 최신 검색 기반 방법에 비해 뚜렷한 개선을 보입니다.
• IBM Qiskit의 룰 기반 분해 방식과 비교했을 때 QFAST는 평균 156배 더 짧은 회로를 생성하지만, 런타임에서 15배의 손해를 봅니다.
• Qiskit의 컴파일 파이프라인과 직접 비교했을 때 QFAST 회로는 평균 10배 더 짧아, 뛰어난 최적화 능력을 입증합니다.
• QFAST는 KAK, QSearch, Qiskit의 네이티브 분해기 등 여러 네이티브 합성 도구와의 조합을 지원하여 유연성과 이식성을 향상시킵니다.
• 기능과 위치를 모두 인코딩한 일반 게이트의 사용은 QFAST가 비용이 많이 드는 회로 구조 검색을 단일 수치 최적화 단계로 대체할 수 있도록 합니다.