[논문 리뷰] SurfBraid: A concept tool for preparing and resource estimating quantum circuits protected by the surface code

Alexandru Paler|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 06.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 31인용 수 8

한 줄 요약

SurfBraid는 임의의 양자 회로를 서피스 코드로 보호된 클리포드+T 회로로 컴파일하고, 브레이들 결함 구조를 사용하여 레이아웃을 자동으로 최적화하며 정밀한 자원 추정을 수행하는 새로운 상호작용적이고 확장 가능한 웹 기반 도구이다. 물리적 큐비트 수와 게이트 수 요구량에 대한 실시간 피드백을 제공하여 확장 가능한 고장내성 양자 회로 설계 자동화 측면에서 중요한 발전을 이룬다.

ABSTRACT

The first generations of quantum computers will execute fault-tolerant quantum circuits, and it is very likely that such circuits will use surface quantum error correcting codes. To the best of our knowledge, no complete design automation tool for such circuits is currently available. This is to a large extent because such circuits have three dimensional layouts (e.g. two dimensional hardware and time axis as a third dimension) and their optimisation is still ongoing research. This work introduces SurfBraid, a tool for the automatic design of surface code protected quantum circuits -- it includes a complete workflow that compiles an arbitrary quantum circuit into an intermediary Clifford+T equivalent representation which is further synthesised and optimised to surface code protected structures (for the moment, braided defects). SurfBraid is arguably the first flexible (modular structure, extensible through user provided scripts) and interactive (automatically updating the results based on user interaction, browser based) tool for such circuits. One of the prototype's methodological novelty is its capability to automatically estimate the resources necessary for executing large fault-tolerant circuits. A prototype implementation and the corresponding source code are available at https://alexandrupaler.github.io/quantjs/.

연구 동기 및 목표

• 서피스 코드로 보호된 양자 회로를 위한 종합적이고 상호작용적인 설계 자동화 도구의 부족을 해결하기 위해.
• 임의의 양자 회로를 서피스 코드 구현에 적합한 클리포드+T 등가물로 자동 컴파일할 수 있도록 하기 위해.
• 브레이들 결함 레이아웃을 사용하여 대규모 고장내성 양자 회로에 대해 정확하고 실시간 자원 추정을 수행하기 위해.
• 사용자 제공 스크립트와 유연한 소프트웨어 아키텍처를 통해 확장성과 모듈성을 지원하기 위해.
• 향후 레이스 툴 및 하드웨어 인식 매핑 기법 통합을 위한 기반을 마련하기 위해.

제안 방법

• 기존의 컴파일 기법을 사용하여 입력된 양자 회로를 중간 단계의 클리포드+T 표현으로 컴파일한다.
• 앞서 보는 파rameter를 사용한 게이트 스케줄링을 통해 양자 게이트에 정확한 시간 좌표를 할당한다.
• T-게이트 분포와 T-상태 가용성을 자동으로 추정하여 분해 스케줄링을 안내한다.
• 이전 연구 기반의 단순화된 스케줄러를 사용하여 분해 서브회로(박스)를 3차원 레이아웃(공간과 시간)에 배치한다.
• 고성능 계산과 실시간 업데이트를 위해 브라우저 기반의 Emscripten 컴파일된 C++ 엔진을 활용한다.
• 실시간으로 회로 레이아웃, 자원 사용량 및 분석 다이어그램을 상호작용적으로 시각화할 수 있도록 지원한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 하면 자원 소모를 최소화하면서도 임의의 양자 회로를 서피스 코드로 보호된 클리포드+T 회로로 자동 컴파일할 수 있는가?
• RQ2 3차원 서피스 코드 레이아웃에서 분해 절차를 어떻게 스케줄링하여 유휴 시간과 자원 소비를 최소화할 수 있는가?
• RQ3 대규모 고장내성 양자 회로에 대해 실시간으로 상호작용적인 자원 추정을 달성할 수 있는가?
• RQ4 레이스 툴과 같은 진화하는 서피스 코드 설계 패턴을 지원하기 위해 모듈성과 확장성을 갖춘 도구는 어떻게 아키텍처화할 수 있는가?
• RQ5 히우리스틱 스케줄링과 고성능 데이터 구조는 양자 회로 컴파일의 확장성에 얼마나 기여할 수 있는가?

주요 결과

• SurfBraid는 자동 레이아웃과 최적화를 통해 임의의 양자 회로를 서피스 코드로 보호된 클리포드+T 회로로 성공적으로 컴파일한다.
• 사용자 입력에 기반하여 물리적 큐비트 수와 게이트 수를 포함한 자원 추정치를 실시간으로 상호작용적으로 업데이트한다.
• T-게이트 분포와 T-상태 가용성을 자동으로 분석하여 효율적인 분해 스케줄링을 안내한다.
• 단일 분해만 동시에 활성화될 수 있는 하드웨어 제약이 있는 스케줄링 모델을 지원하여 자원 제약 조건 하에서 정확성을 확보한다.
• 확장성과 모듈성이 뛰어나 향후 레이스 툴 및 하드웨어 인식 매핑을 지원할 계획이며, 도구는 확장 가능하고 모듈러하다.
• 소스 코드가 공개된 온라인 구현이 가능하며, 핵심 스케줄링 논리는 검증된 이전 연구 기반으로 구축되어 신뢰성과 성능을 보장한다.