[논문 리뷰] VeriQBench: A Benchmark for Multiple Types of Quantum Circuits

Kean Chen, Wang Fang외 6명|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 22.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 8

한 줄 요약

VeriQBench는 OpenQASM로 구현되고 Qiskit 및 QCOR에서 검증된 다양한 양자 회로 유형—조합형, 동적, 순차형, 변량형—을 위한 오픈소스 벤치마크입니다. 이는 스케일링 가능한 회로 크기(2에서 >50 큐비트)에서 양자 소프트웨어의 검증, 시뮬레이션, 테스팅, 디버깅을 가능하게 하며, 확장 가능한 생성 스크립트와 여러 양자 프로그래밍 형식을 지원합니다.

ABSTRACT

In this paper, we introduce VeriQBench -- an open source benchmark for quantum circuits. It offers high-level quantum circuit abstractions of various circuit types, including 1) combinational, 2) dynamic, 3) sequential, and 4) variational quantum circuits, which cover almost all existing types of quantum circuits in the literature. Meanwhile, VeriQBench is a versatile benchmark which can be used in verifying quantum software for different applications, as is evidenced by the existing works including quantum circuit verification (e.g., equivalence checking [Hon+21a; WLY21] and model checking [Yin21]), simulation (e.g., fault simulation), testing (e.g., test pattern generation [CY22]) and debugging (e.g., runtime assertions [Li+20b]). All the circuits are described in OpenQASM and are validated on Qiskit and QCOR simulators. With the hope that it can be used by other researchers, VeriQBench is released at: https://github.com/Veri-Q/Benchmark.

연구 동기 및 목표

• 현재 연구에서 사용되는 모든 주요 유형의 양자 회로를 포괄하고, 확장 가능하며 표준화된 벤치마크의 부재를 해결하기 위해.
• 등가성 검사, 모델 체킹, 결함 시뮬레이션, 테스트 패턴 생성, 런타임 디버깅 등 다양한 양자 소프트웨어 검증 작업을 지원하기 위해.
• 자동화된 생성 스크립트를 통해 임의의 큐비트 수를 지원하는 확장 가능한 유연한 프레임워크를 제공함으로써 양자 회로 벤치마크의 스케일링과 진화를 가능하게 하기 위해.
• 모든 회로를 OpenQASM로 표현하고 q-convert를 통해 Q#, PyQuil, Cirq 등의 다른 형식으로의 변환을 지원함으로써 광범위한 사용성을 확보하기 위해.
• Qiskit 및 QCOR를 포함한 여러 양자 시뮬레이션 플랫폼에서의 정확성과 상호운용성을 검증함으로써 벤치마크의 정확성과 이식 가능성을 확보하기 위해.

제안 방법

• 현재 연구에서 사용되는 주요 유형의 회로를 포함한 양자 회로 설계 및 수집: 조합형(예: QFT, 그로버, 버너스타이르아니), 동적(예: 텔레포테이션, 반중첩 QFT), 순차형, 변량형 회로.
• 표준화 및 도구 호환성을 위해 모든 회로를 OpenQASM 2.0 형식으로 인코딩하고, q-convert 도구를 통한 다른 양자 언어로의 변환을 지원.
• 대부분의 회로 유형에 대해 자동 생성 스크립트를 구현하여 임의의 큐비트 수를 가진 회로의 스케일링 가능한 합성 기능을 제공.
• 정확성과 상호운용성을 보장하기 위해 두 가지 주요 양자 소프트웨어 스택(Qiskit 및 QCOR)에서 모든 회로를 검증.
• 체계적인 평가를 위해 세 가지 규모 클래스로 회로를 분류: 소형(<20 큐비트), 중형(20–50 큐비트), 대형(>50 큐비트).
• 기존 연구에서의 검증, 최적화, 테스팅 분야의 회로를 통합하여 실용성과 다양성을 확보.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재 양자 컴퓨팅 연구에서 사용되는 모든 주요 유형의 양자 회로를 포괄할 수 있는 통합된 벤치마크를 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ2 등가성 검사, 모델 체킹, 테스트 패턴 생성과 같은 다양한 검증 및 검증 작업을 지원할 수 있는 벤치마크의 범위는 어느 정도인가?
• RQ3 자동화된 회로 생성을 통해 진화하는 양자 하드웨어 능력에 대응할 수 있는 확장 가능하고 유연한 벤치마크를 만들 수 있는가?
• RQ4 Qiskit 및 QCOR와 같은 다양한 양자 소프트웨어 스택 간의 정확성과 이식 가능성을 보장하는 데 벤치마크가 얼마나 효과적인가?
• RQ5 기본 알고리즘부터 변량형 회로에 이르기까지 다양한 회로 유형을 포함함으로써, 양자 도구 개발에 대한 벤치마크의 유용성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• VeriQBench는 문헌에서 표준으로 간주되는 모든 범주를 포함하여 조합형, 동적, 순차형, 변량형 양자 회로의 100개 이상의 회로를 포함한다.
• 모든 회로는 OpenQASM 2.0 형식으로 구현되었으며, Qiskit 및 QCOR에서 검증되어 플랫폼 간의 정확성과 상호운용성이 확인되었다.
• 스크립트를 통한 스케일링 가능한 회로 생성을 지원하여 최대 >50 큐비트까지의 회로 합성을 가능하게 하며, 소형, 중형, 대형 규모 설정을 모두 지원한다.
• 등가성 검사, 모델 체킹, 결함 시뮬레이션, 테스트 패턴 생성 등의 다양한 검증 워크플로우에서 직접 활용 가능하며, 기존 도구에의 통합을 통해 이를 입증했다.
• 양자 텔레포테이션 및 반중첩 QFT와 같은 동적 회로 포함은 고전적으로 제어되는 양자 연산을 지원함을 강조하며, NISQ 시대 알고리즘의 핵심 기능을 반영한다.
• 벤치마크는 https://github.com/Veri-Q/Benchmark 에 공개되어 있으며, q-convert를 통한 형식 간 상호운용성과 함께 전체 도구 스택을 제공하여 보급 가능성을 높였다.