[논문 리뷰] SANQ: A Simulation Framework for Architecting Noisy Intermediate-Scale Quantum Computing System

Gushu Li, Yufei Ding외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 24.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 56인용 수 11

한 줄 요약

SANQ는 노이지 중규모 양자(NISQ) 시스템을 위한 엔드 투 엔드 시뮬레이션 프레임워크로, 최적화된 노이지 양자 회로 시뮬레이터와 고전적 제어 시스템을 위한 아키텍처 기반 시뮬레이션 인fra를 결합한다. 중복 계산 제거를 통해 노이지 시뮬레이션을 7배 빠르게 하고, 실제 IBM 및 델프트 제어 시스템과 비교 검증 시 1% 미만 및 10% 이내의 타이밍 오차를 달성한다.

ABSTRACT

To bridge the gap between limited hardware access and the huge demand for experiments for Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) computing system study, a simulator which can capture the modeling of both the quantum processor and its classical control system to realize early-stage evaluation and design space exploration, is naturally invoked but still missing. This paper presents SANQ, a Simulation framework for Architecting NISQ computing system. SANQ consists of two components, 1) an optimized noisy quantum computing (QC) simulator with flexible error modeling accelerated by eliminating redundant computation, and 2) an architectural simulation infrastructure to construct behavior models for evaluating the control systems. SANQ is validated with existing NISQ quantum processor and control systems to ensure simulation accuracy. It can capture the variance on the QC device and simulate the timing behavior precisely (<1% and 10% error for various real control systems). Several potential applications are proposed to show that SANQ could benefit the future design of NISQ compiler, architecture, etc.

연구 동기 및 목표

• 양자 프로세서와 고전적 제어 시스템을 모두 모델링하는 종합적인 시뮬레이션 도구의 부족을 해결한다.
• NISQ 컴파일러, 제어 아키텍처 및 양자 프로세서의 초기 단계 설계 공간 탐색 및 성능 평가를 가능하게 한다.
• 하드웨어 접근 제한을 극복하기 위해 고정밀도이고 확장 가능한 NISQ 시스템 혁신을 위한 시뮬레이션 환경을 제공한다.
• 유연한 오류 모델링과 정밀한 타이밍 시뮬레이션을 지원하여 실제 세계의 NISQ 시스템 행동을 반영한다.
• 이론적 양자 시스템 설계와 실용적 구현 간 격차를 메우기 위해 양자 및 제어 시스템 동역학을 모두 시뮬레이션한다.

제안 방법

• 브루트 포스 방법 대비 오류 주입 속도를 7배 높이기 위해 중복 계산 제거 기법을 적용한 최적화된 몬테카를로 시뮬레이션을 사용해 노이지 양자 회로 시뮬레이터를 구현한다.
• IBM의 초전도성 프로세서와 같은 실제 NISQ 장치에서 유도된 유연하고 현실적인 오류 모델(예: 분해형, 진폭 감쇠)을 통합한다.
• 재사용 가능한 하드웨어 모듈 또는 사용자 정의 구성 요소를 사용해 고전적 제어 시스템을 모델링할 수 있는 아키텍처 기반 시뮬레이션 인fra를 개발한다.
• 프로그래밍 모델과 인터페이스 요구사항을 바탕으로 제어 시스템의 동작 모델을 구축하고, 순서가 바뀐 명령어 스케줄링 및 자원 활용도 분석을 지원한다.
• 실행 타이밍과 출력 정확도의 정밀도를 확보하기 위해 실제 시스템, 즉 IBM 및 델프트 대학교의 NISQ 제어 시스템과의 검증을 수행한다.
• 향후 전력 및 신뢰성 등의 추가 시뮬레이션 차원을 지원하기 위해 확장성을 제공한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 통합된 NISQ 시스템 시뮬레이션 환경에서 노이지 양자 프로세서와 고전적 제어 시스템을 정확하게 모델링할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 결과의 정밀도를 훼손하지 않으면서 노이지 양자 회로 시뮬레이션을 크게 가속화할 수 있는 최적화 기법은 무엇인가?
• RQ3 모의 제어 시스템이 실제 세계의 NISQ 제어 하드웨어의 타이밍 행동을 어느 정도 정확하게 재현할 수 있는가?
• RQ4 NISQ 컴파일러 및 제어 아키텍처의 초기 단계 설계 공간 탐색을 지원하기 위해 시뮬레이션 프레임워크는 어떻게 설계되어야 하는가?
• RQ5 실제 NISQ 시스템을 시뮬레이션할 때 발생하는 주요 성능 및 정확도 상호 간의 트레이드오프는 무엇이며, 이를 최소화하는 방법은 무엇인가?

주요 결과

• SANQ 프레임워크는 몬테카를로 오류 주입 과정에서 중복 계산을 제거함으로써 노이지 양자 회로 시뮬레이션에서 평균 7배의 속도 향상을 달성한다.
• 노이지 양자 시뮬레이터는 실제 NISQ 장치의 행동과 높은 정확도로 출력 정밀도 변동성을 반영한다.
• 제어 시스템 시뮬레이터는 델프트 대학교의 제어 시스템을 모의할 경우 <1%의 타이밍 오차를 기록했고, IBM의 제어 시스템에 대해서는 10% 이내의 오차를 기록했다.
• 프레임워크는 전체 시스템 성능, 설계 공간 탐색, 새로운 최적화 기회 식별을 포함한 종합적인 시스템 수준 평가를 가능하게 한다.
• SANQ는 IBM의 초전도성 프로세서와 두 가지 다른 제어 시스템 구현체를 포함한 실제 NISQ 시스템과 검증되었다.
• 프레임워크는 확장 가능하며, 향후 호스트-머신 상호작용 모델링을 위해 GEM5와 같은 더 큰 시스템 시뮬레이터에 통합될 수 있다.