[논문 리뷰] QFAST: Quantum Synthesis Using a Hierarchical Continuous Circuit Space

Ed Younis, Koushik Sen외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 09.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 31인용 수 27

한 줄 요약

QFAST는 계층적 연속 회로 표현을 사용하여 거대한 다중 큐비트 게이트의 배치와 구조를 통합적으로 고려함으로써, 거대한 구조 최적화와 세밀한 기능 보정을 조합하여 더 짧은 양자 회로를 효율적으로 생성하는 양자 합성 도구이다. 이는 기존 방법보다 훨씬 빠르게 거의 최적에 가까운 회로 깊이를 달성하며, 특히 시간에 따라 변화하는 진화 알고리즘에 대해 뛰어난 성능을 보이며, 다양한 게이트 세트에 대해 조합 가능하고 하드웨어 아키텍처에 민감한 합성 기능을 제공한다.

ABSTRACT

We present QFAST, a quantum synthesis tool designed to produce short circuits and to scale well in practice. Our contributions are: 1) a novel representation of circuits able to encode placement and topology; 2) a hierarchical approach with an iterative refinement formulation that combines "coarse-grained" fast optimization during circuit structure search with a good, but slower, optimization stage only in the final circuit instantiation stage. When compared against state-of-the-art techniques, although not optimal, QFAST can generate much shorter circuits for "time dependent evolution" algorithms used by domain scientists. We also show the composability and tunability of our formulation in terms of circuit depth and running time. For example, we show how to generate shorter circuits by plugging in the best available third party synthesis algorithm at a given hierarchy level. Composability enables portability across chip architectures, which is missing from the available approaches.

연구 동기 및 목표

• NISQ 시대의 장치를 위한 기존 양자 합성 도구의 확장성과 회로 길이 제한 문제를 해결하기 위해.
• 빠른 속도와 높은 회로 품질을 균형 있게 유지하는 합성 방법을 개발하여, 빠른 방법보다 더 짧은 회로를 생성하면서도 실행 시간 측면에서 실용적인 성능를 확보하기 위해.
• 다른 양자 하드웨어 아키텍처에 맞게 유연하게 적응할 수 있는, 아키텍처에 민감한 합성 기능을 제공하기 위해.
• 다양한 큐비트 해상도 수준에서 외부 합성 알고리즘을 통합할 수 있는 조합 가능한 프레임워크를 제공하기 위해.
• 시간에 따라 변화하는 하미르토니안 시뮬레이션을 통해 도메인 과학자들이 양자 회로 생성의 실용성을 향상시키기 위해.

제안 방법

• QFAST는 다중 큐비트 게이트의 배치와 구조를 모두 포함하는 계층적 연속 공간을 사용하여 회로를 표현한다.
• 두 단계의 반복적 정밀화 과정을 적용한다: 먼저 블록의 배치를 결정하기 위한 거친 탐색 단계를 거치고, 이후 게이트 기능을 최적화하기 위한 세밀한 정밀화 단계를 수행한다.
• 알고리즘은 n보다 작은 m-큐비트 블록으로 시작하여, KAK 분해를 통해 최적성을 확보할 수 있는 두 큐비트 게이트까지 점진적으로 분해한다.
• 수치 최적화를 통해 각 계층적 수준에서 합성된 회로의 유니터리와 목표 유니터리 간의 거리를 최소화한다.
• 모든 계층 수준에서 외부 합성 알고리즘의 플러그인 통합을 지원하여, 다양한 게이트 세트 간의 재목표 설정과 조합 가능성을 확보한다.
• 조합적 탐색 대신 효율적인 수치 최적화를 가능하게 하기 위해 다중 큐비트 연산자의 연속적 표현을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 계층적 연속 최적화 접근법은 기존의 최신 빠른 합성 도구보다 더 짧은 양자 회로를 생성할 수 있는가? 이때 실행 시간은 수용 가능한 수준을 유지하는가?
• RQ2 QFAST의 조합 가능성은 다양한 양자 하드웨어 아키텍처와 게이트 세트로의 재목표 설정을 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ3 거친 최적화와 세밀한 최적화 단계를 포함한 계층적 정밀화 방식은 순수 조합적 또는 선형 대수 기반 방법에 비해 회로 깊이와 확장성 측면에서 얼마나 향상되는가?
• RQ4 QFAST의 성능는 최적의 방법이지만 느린 A*-기반 방법(Davis 등 [9])과 비교해 회로 깊이와 실행 시간 측면에서 어떻게 다른가?
• RQ5 QFAST는 VQE, QAOA 및 시간에 따라 변화하는 하미르토니안 시뮬레이션과 같은 실용적 도메인 특화 회로의 회로 깊이를 효과적으로 줄일 수 있는가?

주요 결과

• QFAST는 특히 시간에 따라 변화하는 진화 알고리즘에 대해 기존의 빠른 합성 기법보다 훨씬 짧은 깊이의 회로를 생성하며, 실용적인 회로 품질 측면에서 기존 도구를 뛰어넘는 성능를 보였다.
• 최적의 방법이지만 느린 합성 공식화에 비해 훨씬 더 우수한 확장성을 보이며, NISQ 장치에 적합한 실행 시간 내에서 거의 최적의 깊이를 달성했다.
• 빠른 방법이 달성할 수 있는 것 이상의 회로 깊이 감소를 실현하였으며, 최적 기법의 성능에 가까워지면서도 실행 시간 측면에서 실용적인 성능를 유지했다.
• 계층적 연속 표현은 조정 가능한 큐비트 해상도와 외부 합성기 통합을 통해 회로 깊이와 실행 시간 사이의 효과적인 트레이드오���을 가능하게 하였다.
• QFAST는 강력한 조합 가능성을 보이며, 계층의 어느 수준에서나 KAK 분해나 클리포드+T 근사와 같은 외부 합성 알고리즘을 원활하게 통합할 수 있었다.
• VQE, QAOA 및 TFIM을 포함한 벤치마크 회로에 대한 평가에서, QFAST는 최신의 빠른 합성 도구보다 항상 더 짧은 회로를 생성하였으며, 최적은 아니었지만.