[论文解读] Scheduler of quantum circuits based on dynamical pattern improvement and its application to hardware design

Gian Giacomo Guerreschi|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2019

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 24被引用 11

一句话总结

本文提出一种基于动态模式优化的新型量子线路调度器，通过评估全局量子比特布局模式而非单个门的路由路径来优化路由。该方法通过优先选择能最大程度提升整体两量子比特门连通性的SWAP操作，使QAOA线路的电路深度和路由操作减少高达56%，并指导硬件设计，表明在transmon架构中，超过三种不同量子比特频率带来的性能增益有限。

ABSTRACT

As quantum hardware increases in complexity, successful algorithmic execution relies more heavily on awareness of existing device constraints. In this work we focus on the problem of routing quantum information across the machine to overcome the limited connectivity of quantum hardware. Previous approaches address the problem for each two-qubit gate separately and then impose the compatibility of the different routes. Here we shift the focus onto the set of all routing operations that are possible at any given time and favor those that most benefit the global pattern of two-qubit gates. We benchmark our optimization technique by scheduling variational algorithms for transmon chips. Finally we apply our scheduler to the design problem of quantifying the impact of manufacturing decisions. Specifically, we address the number of distinct qubit frequencies in superconducting architectures and how they affect the algorithmic performance of the quantum Fourier transform.

研究动机与目标

• 为解决近期量子硬件中量子比特连通性受限的问题，通过超越单个门优化的调度方法改进电路调度。
• 开发一种考虑全局量子比特布局模式的调度器，以最小化路由开销和电路深度。
• 评估硬件设计选择（尤其是不同量子比特频率的数量）对算法性能的影响。
• 展示该调度器在运行时编译和早期硬件架构设计中的实用性。

提出的方法

• 该调度器在每一步基于对整体两量子比特门模式的影响，评估所有可能的局部路由操作（SWAP门）。
• 其采用动态模式优化策略，选择能最大化未来路由效率的SWAP操作，无需前瞻或回溯。
• 该方法整合了与机器无关的约束（逻辑依赖、互斥的量子比特激活）和与机器相关的约束（连通性、控制电子设备限制）。
• 它采用启发式求解器解决最大公共边子图问题，以改进初始量子比特布局，从而降低初始路由成本。
• 当门可交换时，该调度器支持门重排，显著减少路由操作。
• 该方法应用于线性和二维transmon架构上的基准QAOA与QFT电路，并结合详细的硬件建模。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过聚焦于全局量子比特布局模式而非单个门的路由，来改进量子线路调度？
• RQ2 在超导架构中，量子比特频率多样性对量子傅里叶变换电路性能有何影响？
• RQ3 在变分量子算法中，门的可交换性与重排能在多大程度上减少路由开销？
• RQ4 一种为运行时编译设计的调度器，是否也能指导早期硬件设计决策？
• RQ5 与传统的基于单个门的路由策略相比，动态模式优化策略在电路深度和路由操作方面表现如何？

主要发现

• 动态模式优化调度器通过利用门的可交换性和智能SWAP选择，在QAOA电路中将路由操作数量减少高达56%。
• 采用最大公共边子图问题的启发式方法显著改善了初始量子比特布局，相比随机布局降低了初始路由成本。
• 对于线性transmon阵列上的QFT电路，使用超过三种不同量子比特频率带来的性能增益有限，表明三种频率可能是在复杂度与性能之间取得平衡的最优选择。
• 该调度器通过SR3始终优先策略（即使在优先级冲突时也强制执行）打破严格的优先级顺序，防止低效的门震荡，提升高量子比特系统中的并行性。
• 该调度器通过量化架构选择（如量子比特频率多样性与连通性）对算法性能的影响，有效指导硬件设计。
• 该方法在无需前瞻策略的情况下实现了高并行性和低电路深度，证明了基于全局状态的本地决策可产生强大的优化效果。