[논문 리뷰] Tangelo: An Open-source Python Package for End-to-end Chemistry Workflows on Quantum Computers

Valentin Senicourt, James M. Brown외 11명|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 24.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 4

한 줄 요약

Tangelo는 Qiskit, Cirq, Braket 등 여러 양자 백엔드와 통합 가능하며, 설계, 컴파일, 실행을 포함한 양자 회로를 위한 모듈식이고 백엔드에 종속되지 않는 도구를 제공함으로써 양자 컴퓨터에서 종단 간 양자 화학 워크플로우를 가능하게 하는 오픈소스 파이썬 패키지입니다. 문제 분해, VQE와 같은 변량 양자 알고리즘, 그리고 다양한 양자 백엔드 지원을 통해 개방된 시스템과 자극 상태를 포함한 분자 시스템의 자원 요구량을 크게 낮추고 실험을 가속화합니다.

ABSTRACT

Tangelo [link: https://github.com/goodchemistryco/Tangelo] is an open-source Python software package for the development of end-to-end chemistry workflows on quantum computers, released under Apache 2.0 license. It aims to support the design of successful experiments on quantum hardware, and to facilitate advances in quantum algorithm development. The software enables quick exploration of different approaches by assembling reusable building blocks and algorithms, with the flexibility to let users introduce their own. Tangelo is backend-agnostic and enables switching between various backends (Braket, Qiskit, Qulacs, Azure Quantum, QDK, Cirq...) with minimal changes in the code. The package can be used to explore quantum computing applications such as open-shell systems, excited states, or more industrially-relevant systems by leveraging problem decomposition at scale. This paper outlines the design choices, philosophy, and main features of Tangelo.

연구 동기 및 목표

• 근접한 양자 하드웨어에서 실용적이고 자원 효율적인 양자 화학 실험을 설계하는 데 도전하는 것.
• 재사용 가능하고 조합 가능한 빌딩 블록을 제공함으로써 연구자들이 양자 알고리즘을 탐색하고 비교할 수 있는 장벽을 낮추는 것.
• 최소한의 코드 변경으로 Qiskit, Cirq, Azure Quantum 등 여러 양자 컴퓨팅 백엔드 간 원활한 통합을 가능하게 하는 것.
• 문제 분해(예: DMET), 변량 알고리즘, 측정 최적화를 포함한 고급 워크플로우를 지원하여 정확한 결과를 도출하는 것.
• 오픈소스 협업과 모듈식 소프트웨어 설계를 통해 공동체 주도의 개발과 상호운용성을 촉진하는 것.

제안 방법

• 분자의 입력, 하미르토니안 변환, 양자 회로 구축을 위한 재사용 가능한 구성 요소를 갖춘 모듈식 아키텍처를 사용함.
• FermionOperator를 통해 표현된 두 번째 양자화된 분자 하미르토니안을 조르단-바이어리, 브라비-키타예프 등의 페르미온-큐비트 매핑을 통해 큐비트 연산자로 변환함.
• 파arameterized 양자 회로와 통합 인터페이스를 통해 백엔드에 종속되지 않는 변량 양자 고유값 문제(VQE) 워크플로우를 지원함.
• 연결, 역전, 얽히지 않은 하위계로 분할, 병렬 실행을 위한 스택 등으로 구성된 회로 조작 기능을 제공함.
• Hartree-Fock 계산과 적분 변환을 위한 PySCF 및 연산자 처리를 위한 OpenFermion과 같은 외부 도구와 통합함.
• 큐비트 하미르토니안에서 실수 계수 항만 식별함으로써 측정 프rotocol 최적화를 통해 샷 수를 최소화하고 정확도를 향상시킴.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 근접한 양자 장치에서 정확도를 유지하면서도 큐비트 수와 게이트 수를 최소화할 수 있는 종단 간 양자 화학 워크플로우는 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ2 큰 분자 시스템을 더 작고 다룰 수 있는 조각으로 분해하는 데 가장 효과적인 방법은 무엇인가?
• RQ3 최소한의 코드 변경으로 여러 양자 컴퓨팅 백엔드 간에서 양자 회로 설계를 추상화하고 이식 가능하게 만들 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ4 사전 및 사후 처리 기법은 변량 양자 알고리즘에서 측정 오버헤드를 줄이고 수렴성을 향상시키는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 재사용 가능하고 조합 가능한 소프트웨어 구성 요소는 새로운 화학용 양자 알고리즘의 개발과 비교를 어떻게 가속화할 수 있는가?

주요 결과

• Tangelo는 여러 백엔드에서 최소한의 버일러플레이트로 종단 간 양자 화학 워크플로우를 구성할 수 있게 하여 다양한 백엔드에서 양자 알고리즘의 빠른 프로토타이핑을 가능하게 함.
• DMET를 통한 문제 분해를 성공적으로 지원하여 H10과 같은 큰 시스템의 자원 요구량을 줄였으며, 개별 양자 시뮬레이션을 위한 조각을 고립함.
• 분할, 스택, 변량 게이트 제어와 같은 회로 조작 기능을 통해 자원 사용을 최적화하고 병렬 실행 전략을 구현할 수 있음.
• 백엔드에 종속되지 않는 설계 덕분에 Qiskit, Cirq, Braket 등으로의 전환을 최소한의 코드 변경으로 원활하게 수행할 수 있어 이식성과 재현 가능성이 향상됨.
• PySCF 및 OpenFermion과의 통합을 통해 정확한 분자 하미르토니안 생성과 변환을 지원하여 양자 화학 시뮬레이션의 견고한 기반을 마련함.
• 파라미터화된 회로를 사용하는 변량 양자 알고리즘(VQE)을 지원하며, 측정된 기대값에서 에너지 계산과 분석 도구를 제공함.