[논문 리뷰] CollComm: Enabling Efficient Collective Quantum Communication Based on EPR buffering

An‐Bang Wu, Yufei Ding외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 08. 13.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 분산 양자 계산에서 원거리 게이트 연산과 양자 공유 통신 준비를 분리하기 위해 유휴 데이터 큐비트를 EPR 상태 쌍 버퍼로 사용하는 컴파일러 프레임워크인 CollComm을 제안한다. 이를 통해 효율적인 집합적 통신을 가능하게 한다. 이 통신 버퍼를 활용함으로써 CollComm은 평균적으로 상호 노드 간 통신 비용과 프로그램 지연을 각각 최대 50.4%와 47.6% 감소시켜 최신 기술 컴파일러를 뛰어넘는 성능을 발휘한다.

ABSTRACT

The noisy and lengthy nature of quantum communication hinders the development of distributed quantum computing. The inefficient design of existing compilers for distributed quantum computing worsens the situation. Previous compilation frameworks couple communication hardware with the implementation of expensive remote gates. However, we discover that the efficiency of quantum communication, especially collective communication, can be significantly boosted by decoupling communication resources from remote operations, that is, the communication hardware would be used only for preparing remote entanglement, and the computational hardware, the component used to store program information, would be used for conducting remote gates. Based on the observation, we develop a compiler framework to optimize the collective communication happening in distributed quantum programs. In this framework, we decouple the communication preparation process in communication hardware from the remote gates conducted in computational hardware by buffering EPR pairs generated by communication hardware in qubits of the computational hardware. Experimental results show that the proposed framework can halve the communication cost of various distributed quantum programs, compared to state-of-the-art compilers for distributed quantum computing.

연구 동기 및 목표

• 기존 DQC 컴파일러가 하드웨어 제약 조건 하에서 집합적 통신을 처리하는 데에 비효율적인 문제를 해결하기 위해.
• 현재 프레임워크에서 원거리 게이트 연산과 통신 하드웨어를 결합함으로써 발생하는 성능 저하를 극복하기 위해.
• 제한된 통신 큐비트를 가진 근접된 분산 양자 아키텍처에서 확장 가능하고 고처리량의 집합적 통신을 가능하게 하기 위해.
• 유휴 데이터 큐비트를 EPR 쌍용 통신 버퍼로 재사용하여 장치 활용도를 향상시키기 위해.
• 논리적 및 물리적 DQC 시스템을 연결하는 실용적이고 하드웨어 인지 최적화 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 통신 큐비트가 생성한 EPR 쌍을 저장하기 위해 유휴 데이터 큐비트를 활용하는 통신 버퍼 추상화를 도입한다.
• 양자 상태 스위핑을 통해 EPR 쌍 생성(통신 큐비트가 담당)과 원거리 게이트 실행(계산 하드웨어가 담당)을 분리한다.
• 통신 버퍼를 활용해 얽힌 EPR 쌍을 저장하고 관리하여 효율적이고 동시에, 집합적인 원거리 연산을 가능하게 한다.
• 버퍼를 활용해 최적화된 통신 라우팅과 변환을 위한 분산 양자 회로 재구성 기능을 갖춘 컴파일러 프레임워크인 CollComm을 설계한다.
• 버퍼 추상화를 기반으로 한 집합적 통신을 최적화한 두 가지 통신 패턴인 Cat-Comm과 TP-Comm을 구현한다.
• 버퍼를 활용해 다중 노드 게이트를 지원하고 기초 게이트로의 분해에 의존도를 낮춘다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 원거리 게이트 실행에서 EPR 쌍 준비를 분리함으로써 분산 양자 계산에서 집합적 통신의 효율성을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 유휴 데이터 큐비트를 효과적으로 재사용하여 EPR 쌍을 버퍼링하고 통신 오버헤드를 줄일 수 있는가?
• RQ3 통신 큐비트 수가 적은 하드웨어 환경에서 통신 버퍼가 성능 제약을 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ4 버퍼 기반 프레임워크가 기존 컴파일러보다 집합적 연산에 대한 지연과 통신 비용을 줄이는 데서 뛰어난 성능을 발휘할 수 있는가?
• RQ5 통신 버퍼는 계층적 DQC 시스템에서 확장 가능하고 동시에, 고장 내성 있는 통신을 어떻게 가능하게 하는가?

주요 결과

• CollComm는 최신 기술 컴파일러 대비 평균적으로 가장 비싼 상호 노드 간 통신 요청을 50.4% 감소시켰다.
• 프로그램 지연은 평균적으로 47.6% 감소하여 끝에서 끝까지의 성능 향상이 뚜렷하게 입증되었다.
• 이 프레임워크는 기존에 통신 큐비트 수가 제한되어 있어 구현이 어려웠던 다중 노드 게이트(예: CCCX)의 집합적 구현을 가능하게 했다.
• 통신 버퍼 덕분에 동시에 여러 통신 요청이 가능해지고 유휴 데이터 큐비트를 재사용함으로써 장치 활용도가 향상되었다.
• 특히 집합적 통신 시나리오에서 기초 게이트 분해나 순차적 통신에 의존하는 기존 연구 대비 뛰어난 성능을 발휘했다.
• 계층적 DQC 시스템에서의 실험 결과는 다양한 분산 양자 프로그램에서 프레임워크의 효과성을 확인시켰다.