[논문 리뷰] Quantum Computer Benchmarking via Quantum Algorithms

Κωνσταντίνος Γεωργόπουλος, Clive Emary외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 17.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 스케일러블하고 실제 응용에 기반한 알고리즘을 사용하여 IBM 양자 컴퓨터를 평가하는 양자 알고리즘 기반 벤치마킹 프레임워크를 소개한다. 이 알고리즘에는 이산 및 연속 시간 양자 산책, 그로버 알고리즘, 위상 추정 등이 포함되며, 노이즈 모델링과 이상 시뮬레이션과 결합된다. 주요 기여는 아키텍처에 특화된 성능 분석으로, 노이즈 행동, 회로 효율성, 구현의 상호 교환 조건에서의 차이를 드러낸다. 이는 디지털 양자 프로세서에서 연속 시간 양자 알고리즘과 그 파울리 분해를 처음으로 벤치마킹한 것으로, 소규모 시스템에서는 분해가 비효율적임을 보여준다.

ABSTRACT

We present a framework that utilizes quantum algorithms, an architecture aware quantum noise model and an ideal simulator to benchmark quantum computers. The benchmark metrics highlight the difference between the quantum computer evolution and the simulated noisy and ideal quantum evolutions. We utilize our framework for benchmarking three IBMQ systems. The use of multiple algorithms, including continuous-time ones, as benchmarks stresses the computers in different ways highlighting their behaviour for a diverse set of circuits. The complexity of each quantum circuit affects the efficiency of each quantum computer, with increasing circuit size resulting in more noisy behaviour. Furthermore, the use of both a continuous-time quantum algorithm and the decomposition of its Hamiltonian also allows extracting valuable comparisons regarding the efficiency of the two methods on quantum systems. The results show that our benchmarks provide sufficient and well-rounded information regarding the performance of each quantum computer.

연구 동기 및 목표

• 노이즈가 있는 중규모 양자(NISQ) 장치를 위한 종합적이고 스케일러블하며 아키텍처 인식 가능한 벤치마크의 부족을 해결한다.
• 양자 볼륨과 같은 일반적인 지표의 한계를 극복하여 실제 응용에 관련된 알고리즘 기반의 성능 통찰을 제공한다.
• 다양한 양자 알고리즘이 양자 하드웨어에 어떻게 다른 방식으로 부담을 주는지 평가하여 하드웨어 특화된 약점과 강점을 드러낸다.
• 네이티브 연속 시간 양자 산책과 그 디지털 분해가 파울리 게이트 시퀀스로 변환된 경우의 효율성 상호 교환 조건을 조사한다.
• 하드웨어 특화된 노이즈 영향을 분리하기 위해 양자 컴퓨터 실행, 노이즈가 있는 시뮬레이션, 이상 시뮬레이션 간의 다중 지표 비교를 제공한다.

제안 방법

• 이산 시간 양자 산책, 연속 시간 양자 산책(CTQW), CTQW 해밀토니안의 파울리 게이트로의 분해, 그로버 알고리즘, 양자 위상 추정을 포함한 다섯 가지 스케일러블한 양자 알고리즘을 사용한 벤치마킹 프레임워크를 설계한다.
• IBMQ 장치의 실제 하드웨어 특성(예: 게이트 오류, 붕괴)을 반영하는 노이즈 모델을 구현하여 현실적인 양자 진동을 시뮬레이션한다.
• 노이즈가 없는 기준 결과를 비교하기 위해 이상 양자 시뮬레이터를 사용한다.
• 세 가지 벤치마킹 지표를 정의한다: (1) 양자 컴퓨터 출력과 이상 시뮬레이션 간의 허점도, (2) 양자 컴퓨터와 노이즈가 있는 시뮬레이션 간의 허점도, (3) 노이즈가 있는 시뮬레이션과 이상 시뮬레이션 간의 허점도로, 삼각 부등식의 구조를 형성한다.
• 모든 회로를 세 대의 IBMQ 초전도 양자 프로세서(5-qubit Bogota, Santiago; 7-qubit Casablanca)에서 실행하고 기계 간 결과를 비교한다.
• 결과 분석을 위해 결과 분포의 시각화와 비교 지표를 사용하여 알고리즘 성능, 노이즈 민감도, 회로 효율성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 양자 알고리즘이 양자 하드웨어에 어떻게 다른 방식으로 부담을 주며, NISQ 장치의 고유한 성능 특성을 드러내는가?
• RQ2 연속 시간 양자 산책의 해밀토니안을 파울리 게이트로 분해하는 것이 디지털 양자 프로세서에서 회로 효율성과 허점도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 실제 응용에 기반한 알고리즘을 사용한 벤치마킹은 양자 볼륨과 같은 아키텍처 중립 지표보다 더 유의미한 양자 컴퓨터 성능 통찰을 제공할 수 있는가?
• RQ4 세 가지 벤치마킹 지표—이상 시뮬레이션과의 허점도, 노이즈가 있는 시뮬레이션과의 허점도, 노이즈가 있는 시뮬레이션과 이상 시뮬레이션 간의 허점도—는 양자 하드웨어의 구조적 약점을 어떻게 드러내는가?
• RQ5 연속 시간 양자 알고리즘을 벤치마킹으로 사용할 경우, 표준 벤치마크에서 포착되지 않는 노이즈 행동과 게이트 캘리브레이션의 차이를 폭 드러내는가?

주요 결과

• 벤치마킹 프레임워크는 동일한 양자 볼륨(32)을 가진 IBMQ 장치들 간의 성능 차이를 성공적으로 포착하여, 양자 볼륨만으로는 하드웨어 행동을 특성화하기에 부족함을 보여준다.
• 연속 시간 양자 산책(CTQW)과 그 파울리 분해 결과는 서로 다른 허점도를 보이며, 분해 결과는 소규모 시스템에서 회로 깊이와 게이트 수 증가로 인해 상당히 낮은 효율성을 보인다.
• 회로 크가 증가할수록 이상 시뮬레이션과의 허점도가 감소함에 따라 노이즈가 더 심각하게 누적됨을 나타내며, 더 큰 복잡한 회로에서 더 심각한 영향을 받는다.
• 프레임워크는 캘리브레이션된 노이즈 매개변수가 실제 노이즈 수준을 과소 또는 과대평가할 수 있음을 드러내며, 노이즈 시뮬레이션과 실제 하드웨어 출력 간의 괴리로 확인된다.
• 다양한 알고리즘을 사용함으로써 다양한 하드웨어 행동이 드러났다. 예를 들어, CTQW는 이산 시간 산책보다 노이즈에 더 민감하며, 기반 연결성과 게이트 오류 패tern을 폭 드러낸다.
• 이 연구는 디지털 양자 프로세서에서 네이티브 연속 시간 양자 알고리즘과 그 디지털 분해를 사용한 최초의 벤치마킹으로, 향후 NISQ 시스템을 위한 새로운 벤치마킹 패러다임을 수립한다.