[논문 리뷰] Tackling the Qubit Mapping Problem for NISQ-Era Quantum Devices

Gushu Li, Yufei Ding외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 07.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 임의의 커플링 제약 조건을 가진 NISQ 시대 양자 장치에서 큐비트 매핑을 위한 SWAP 기반 양방향 휴리스틱 탐색 알고리즘인 SABRE를 제안한다. 두 큐비트 게이트가 물리적으로 연결된 큐비트에 국한된 조건에서 탐색 공간을 목표 지향적인 SWAP 연산을 통해 최적화하고, 고품질의 초기 매핑을 위해 역방향 탐색을 사용하며, 회로 깊이와 게이트 수의 균형을 이루기 위해 쇄도 효과를 도입함으로써 SABRE는 이전 방법 대비 지수적 속도 향상과 최대 91%의 추가 게이트 감소를 달성한다.

ABSTRACT

Due to little consideration in the hardware constraints, e.g., limited connections between physical qubits to enable two-qubit gates, most quantum algorithms cannot be directly executed on the Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) devices. Dynamically remapping logical qubits to physical qubits in the compiler is needed to enable the two-qubit gates in the algorithm, which introduces additional operations and inevitably reduces the fidelity of the algorithm. Previous solutions in finding such remapping suffer from high complexity, poor initial mapping quality, and limited flexibility and controllability. To address these drawbacks mentioned above, this paper proposes a SWAP-based BidiREctional heuristic search algorithm SABRE, which is applicable to NISQ devices with arbitrary connections between qubits. By optimizing every search attempt,globally optimizing the initial mapping using a novel reverse traversal technique, introducing the decay effect to enable the trade-off between the depth and the number of gates of the entire algorithm, SABRE outperforms the best known algorithm with exponential speedup and comparable or better results on various benchmarks.

연구 동기 및 목표

• 두 큐비트 게이트가 물리적으로 연결된 큐비트 간에만 허용되는 NISQ 시대 양자 장치에서 큐비트 매핑 문제를 해결한다.
• 이전 방법의 한계인 높은 런타임, 열악한 초기 매핑 품질, 회로 트레이드오프에 대한 제어 불가능성 문제를 해결한다.
• 이deal한 1D/2D 격자에 국한되지 않은 임의의 커플링 구조를 가진 실제 하드웨어에서 효율적인 양자 회로 컴파일링을 가능하게 한다.
• 회로 깊이와 게이트 수 사이의 균형을 제어 가능한 최적화를 통해 유연하고 확장 가능한 솔루션을 제공한다.

제안 방법

• 두 큐비트 게이트에 관여하는 큐비트에 집중함으로써 부과적인 탐색 시도를 줄이는 SWAP 기반 양방향 휴리스틱 탐색을 제안한다.
• 초기 발생하는 두 큐비트 게이트를 우선순위로 삼아 고품질의 초기 매핑을 생성하기 위해 역방향 탐색 기법을 도입한다.
• 휴리스틱 비용 함수에 쇄도 효과를 적용하여 겹치지 않는 SWAP 연산을 선호함으로써 회로 깊이와 게이트 수 간의 트레이드오프를 가능하게 한다.
• 전체 회로 구조를 종합적으로 고려함으로써 탐색 과정을 최적화하고, 초기 단계부터 매핑 품질을 향상시킨다.
• IBM의 QISKit와 유사한 계층적 접근 방식을 사용하지만, 더 스마트한 SWAP 선택과 더 작은 탐색 공간을 통해 비용을 절감한다.
• 쇄도 파라미터를 조정하여 최종 회로에서 깊이를 더 짧게 하거나 게이트 수를 줄이는 데 중점을 두는 제어 가능한 최적화를 통합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 임의의 커플링 조건을 가진 NISQ 장치에서 고품질의 솔루션을 유지하면서 탐색 공간을 어떻게 줄일 수 있는가?
• RQ2 역방향 탐색 기법을 통해 초기 발생하는 얽힘 게이트에 집중함으로써 초기 매핑 품질을 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 휴리스틱 비용 함수에 쇄도 효과를 적용하면 회로 깊이와 추가 SWAP 게이트 수 사이의 트레이드오프를 얼마나 제어할 수 있는가?
• RQ4 실제 벤치마크에서 SABRE는 BKA 및 IBM의 mapper와 같은 최신 기법 대비 성능과 효율성에서 어떻게 비교되는가?
• RQ5 SABRE는 포괄적 탐색 방법 대비 지수적 속도 향상을 달성하면서도 회로 품질을 유지하거나 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 소규모 벤치마크에서 SABRE는 추가 SWAP 게이트를 최대 91% 감소시키며, 일부 사례에서는 완전히 제거한다.
• 대규모 벤치마크에서는 SABRE가 이전에 알려진 최고의 방법보다 지수적 속도 향상을 달성하면서도 추가 게이트 수를 약 10% 감소시킨다.
• 역방향 탐색 기법은 이전 방법보다 더 높은 품질의 초기 매핑을 생성하여 최종 회로 품질을 크게 향상시킨다.
• 쇄도 효과는 회로 깊이와 게이트 수 사이의 제어 가능한 트레이드오프를 가능하게 하여 SABRE가 다양한 NISQ 장치 특성에 최적화된 회로를 생성할 수 있도록 한다.
• IBM 20 큐비트 칩 모델에서 SABRE는 실행 시간과 회로 품질 모두에서 IBM의 QISKit mapper와 BKA 알고리즘을 뛰어넘는 성능을 보였다.