[论文解读] Leveraging Secondary Storage to Simulate Deep 54-qubit Sycamore Circuits

Edwin Pednault, John A. Gunnels+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2019

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 19被引用 128

一句话总结

该论文将基于二级存储的张量网络仿真进行改进，在 Summit 上对深度53-与54-量子比特的 Sycamore 电路实现高保真幅度及详细运行时间估计。

ABSTRACT

In a recent paper, we showed that secondary storage can extend the range of quantum circuits that can be practically simulated with classical algorithms. Here we refine those techniques and apply them to the simulation of Sycamore circuits with 53 and 54 qubits, with the entanglement pattern ABCDCDAB that has proven difficult to classically simulate with other approaches. Our analysis shows that on the Summit supercomputer at Oak Ridge National Laboratories, such circuits can be simulated with high fidelity to arbitrary depth in a matter of days, outputting all the amplitudes.

研究动机与目标

• 使用二级存储扩展深量子电路的经典可模拟性。
• 将收缩延迟和张量切片应用于 Sycamore ABCDCDAB 模式。
• 开发可扩展的仿真策略，尽量减少磁盘 I/O 与节点间通信。
• 提供在 Summit 上对 53/54-量子比特电路的时序与资源估计。

提出的方法

• 将量子电路表示为张量网络，并使用超边表示法识别可分离张量。
• 使用收缩延迟实现非相邻张量收缩并降低内存使用。
• 将电路划分为子电路和子子电路；在子部分上进行薛定谔演化的仿真。
• 应用张量切片固定索引并组织主存/二级存储访问。
• 将张量切片存储并流式传输到磁盘以管理大于主内存的状态。
• 将门聚合为 5-量子比特内核以简化性能建模并利用现有基准。

实验结果

研究问题

• RQ1 二级存储能否将经典可模拟性前沿扩展到深度的53/54-量子比特 Sycamore 电路？
• RQ2 哪些分区、切片和延迟策略可实现高保真且可行的仿真？
• RQ3 对 Summit 上 ABCDCDAB 模式电路的仿真，估计的运行时间与存储需求是多少？
• RQ4 磁盘 I/O、插槽间通信和张量收缩如何共同影响总体成本？

主要发现

• 在 Summit 上，所提出的策略能够以高保真度对任意深度的 53- 与 54-量子比特 Sycamore 电路进行仿真，并输出所有幅度。
• 对于 20 循环的电路，当将所有幅度存储在磁盘上时，53-量子比特的估计运行时间为 2.55 天，54-量子比特为 5.80 天。
• 53-量子比特电路的磁盘存储需求为 64 PiB，54-量子比特为 128 PiB，均在 Summit 的 250 PiB 容量之内。
• 该方法对磁盘使用 45-量子比特切片并通过递归分区来管理 8,192 个插槽上的计算与通信成本。
• 门聚合（最多 5-量子比特内核）与 bristle-brush 收缩策略支撑收缩成本与 FLOP 速率估算。
• 该方法在深度（10–36 循环）上具有泛化性，运行时间与电路深度大致线性增长。