[论文解读] A Depth-Aware Swap Insertion Scheme for the Qubit Mapping Problem

Chi Zhang, Yanhao Chen+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2020

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 16被引用 8

一句话总结

本文提出了一种针对NISQ时代量子计算机的深度感知交换插入方案，用于量子比特映射，在最小化门数开销的同时优化电路深度。通过在插入SWAP门时优先考虑深度减少，该方法相比最先进的映射器（如Sabre和Zulehner）将电路深度降低了高达30%，门数仅增加3%的平均开销。

ABSTRACT

The rapid progress of physical implementation of quantum computers paved the way of realising the design of tools to help users write quantum programs for any given quantum devices. The physical constraints inherent to the current NISQ architectures prevent most quantum algorithms from being directly executed on quantum devices. To enable two-qubit gates in the algorithm, existing works focus on inserting SWAP gates to dynamically remap logical qubits to physical qubits. However, their schemes lack the consideration of the depth of generated quantum circuits. In this work, we propose a depth-aware SWAP insertion scheme for qubit mapping problem in the NISQ era.

研究动机与目标

• 解决NISQ时代量子计算中电路深度的关键问题，即高深度电路超出退相干时间而无法执行。
• 克服现有量子比特映射器的局限性，这些映射器优先考虑门数减少但忽略电路深度，导致程序无法执行。
• 开发一种新型交换插入方案，明确最小化变换后量子电路的深度，同时保持较低的门数开销。
• 在门数与电路深度之间实现平衡的权衡，确保在当前噪声量子硬件上可实际执行。

提出的方法

• 设计一种深度感知启发式方法，基于其对量子电路关键路径长度的影响来评估潜在SWAP门插入的优劣。
• 将深度估计整合到量子比特映射的搜索过程中，优先选择能减少依赖门最长路径的映射方案。
• 使用结合深度与门数的代价函数指导映射决策，优先减少深度而不引起门数过度增加。
• 在IBM Q20 Tokyo架构上实现该方案，使用Qiskit评估变换后电路的深度与门数。
• 基于RevLib、IBM Qiskit和ScaffCC的基准测试套件，与最先进的映射器（Sabre和Zulehner）进行对比。
• 采用系统化的评估框架，测量深度增量（深度增加量）、门数以及相对于基线的改进比率。

实验结果

研究问题

• RQ1 一种显式优化电路深度的量子比特映射方案，是否能在深度减少方面优于仅关注门数的映射器？
• RQ2 与现有最先进的映射器（如Sabre和Zulehner）相比，深度感知的SWAP插入在多大程度上减少了电路深度？
• RQ3 所提出方案在深度减少与门数增加之间的权衡关系如何？
• RQ4 最小化深度是否能显著提升在退相干时间有限的NISQ设备上成功执行的概率？

主要发现

• 与性能最佳的基线（Sabre）相比，所提方案将电路深度降低了高达30%，深度增量减少幅度在20%至300%之间。
• 在23个基准中的5个中，与表现更优的基线相比，深度改善不足20%，表明即使在基线已表现良好时，该方法仍具有强大的鲁棒性。
• 该方法仅带来3%的门数平均增加，尽管优先考虑深度优化，但开销极小。
• 在17%的基准中（23个中的4个），所提映射器在所有三个评估映射器中实现了最低的门数。
• 在57%的基准中，该方法在门数排名中位列前二，表明其在多种电路类型中均表现出一致的性能。
• Sabre映射器在10量子比特QFT基准中将门数减少了1.1%，但深度却增加了44.5%，凸显了仅优化门数的高昂代价。