[论文解读] Distributed Scheduling of Quantum Circuits with Noise and Time Optimization

Debasmita Bhoumik, Ritajit Majumdar+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 12, 2023

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 6

一句话总结

本文提出 NoTaDS，一种面向噪声和时间优化的分布式调度器，利用线路切割技术将量子线路分割，并将子线路调度至多个噪声量子硬件设备上执行，以在尊重各设备执行时间限制的前提下最大化保真度。即使在允许的最小执行时间内，该方法仍比在最不具噪声的设备上直接执行完整未切割线路高出最多21%的保真度。

ABSTRACT

Quantum computers are currently noisy, particularly without error correction and fault tolerance. Methods like error suppression and mitigation are widely used to improve performance. Circuit cutting, which partitions a circuit into smaller subcircuits, can also reduce noise. In this paper, we propose an Integer Linear Program (ILP) based scheduler for optimizing subcircuit schedules on available hardware. The goal is to maximize overall fidelity and ensure each hardware does not exceed its predefined execution time. For 10-qubit circuits, our method achieves an average fidelity improvement of ~12.3% and ~21% with and without measurement error mitigation, respectively, even with minimal execution time. Additionally, we introduce a polynomial-time graph-theoretic scheduling method that matches the ILP scheduler's results when the number of subcircuits does not exceed the number of hardware units, each with minimal execution time. This noise and time-optimized scheduler represents a crucial step towards optimal quantum computing performance, especially with limited hardware access.

研究动机与目标

• 解决近期量子计算中最小化噪声与减少执行时间之间的权衡问题。
• 使受限访问量子硬件的用户能够通过在可用设备间智能调度子线路，实现更高保真度。
• 通过结合线路切割与面向噪声、时间受限的分布式硬件调度，优化线路执行。
• 为噪声中等规模量子（NISQ）设备提供一种实用且可扩展的性能提升方案。

提出的方法

• 该方法使用线路切割技术将大型量子线路分解为更小、可独立执行的子线路。
• 其构建整数线性规划（ILP）模型，将每个子线路分配至硬件设备，以在用户定义的每设备执行时间上限 τ 下最大化整体保真度。
• 调度器整合设备特定的噪声特性（如门错误和读出错误），优先将子线路分配给噪声更低的硬件。
• 经典后处理从子线路结果重构完整线路输出，保留因线路深度和噪声降低而获得的保真度增益。
• ILP 公式在保真度最大化与时间约束之间取得平衡，确保任一设备不超出其 τ 限制。
• 该方法支持基于实时噪声数据和硬件可用性的动态调度，实现速度与精度之间的最优权衡。

Figure 1: Circuit cutting for a 6-qubit RealAmplitudes ansatz, with single repetition and reverse-linear entanglement Kandala et al., ( 2017 ) , into two subcircuits

实验结果

研究问题

• RQ1 如何最优地将切割后量子线路的子线路调度至多个噪声量子设备，以最大化保真度？
• RQ2 如何在不牺牲保真度的前提下，将设备执行时间约束整合进调度框架？
• RQ3 即使在严格时间限制下，分布式调度器是否仍能优于在最不具噪声设备上直接执行未切割线路？
• RQ4 当子线路被分发至噪声水平各异的设备时，硬件分配的选择如何影响保真度？
• RQ5 在 NISQ 时代，线路切割与智能调度能在多大程度上降低有效噪声？

主要发现

• 对于无测量误差缓解的10量子比特基准线路，NoTaDS 在保真度上相比在最不具噪声设备上执行未切割线路平均提升12.3%。
• 在测量误差缓解下，相同执行时间约束下平均保真度增益提升至21%。
• 对于16量子比特的RealAmplitudes线路，将两个子线路均调度至 ibm_hanoi 可获得最高保真度，但若将其分发至 ibm_hanoi 和 ibmq_kolkata，则执行时间减少50%，仅损失1%保真度。
• 当 ibm_hanoi 不可用时，将子线路调度至 ibmq_kolkata 和 ibm_cairo 的组合优于仅在 ibm_cairo 上执行两个子线路，原因在于 ibmq_kolkata 具有更低的噪声特性。
• 当子线路数量超过两个且存在中间时间限制（τ_min < τ < τ_max）时，调度器能动态识别出优于简单分配的更优调度方案。
• 该方法表明，智能且面向噪声的调度可在执行时间受限时实现接近最优的保真度，优于集中式和简单分布式执行方案。

Figure 2: The coupling map and error distribution of a 5 qubit IBM Quantum device $Belem$