[论文解读] Clifford-based Circuit Cutting for Quantum Simulation

Kaitlin N. Smith, Michael A. Perlin+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2023

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 4

一句话总结

本文介绍了 SuperSim，一种新型的量子线路仿真框架，结合了基于 Clifford 的仿真与线路切割技术，实现了对近 Clifford 量子线路的高效、高保真度仿真。通过将 Clifford 片段隔离以实现高效仿真，并利用线路切割技术重构完整线路的输出，SuperSim 仅使用适度的经典计算资源，即可加速数百量子比特线路的仿真，其在关键基准测试中的表现优于当前最先进的方法，性能提升达数个数量级。

ABSTRACT

Quantum computing has potential to provide exponential speedups over classical computing for many important applications. However, today's quantum computers are in their early stages, and hardware quality issues hinder the scale of program execution. Benchmarking and simulation of quantum circuits on classical computers is therefore essential to advance the understanding of how quantum computers and programs operate, enabling both algorithm discovery that leads to high-impact quantum computation and engineering improvements that deliver to more powerful quantum systems. Unfortunately, the nature of quantum information causes simulation complexity to scale exponentially with problem size. In this paper, we debut Super.tech's SuperSim framework, a new approach for high fidelity and scalable quantum circuit simulation. SuperSim employs two key techniques for accelerated quantum circuit simulation: Clifford-based simulation and circuit cutting. Through the isolation of Clifford subcircuit fragments within a larger non-Clifford circuit, resource-efficient Clifford simulation can be invoked, leading to significant reductions in runtime. After fragments are independently executed, circuit cutting and recombination procedures allow the final output of the original circuit to be reconstructed from fragment execution results. Through the combination of these two state-of-art techniques, SuperSim is a product for quantum practitioners that allows quantum circuit evaluation to scale beyond the frontiers of current simulators. Our results show that Clifford-based circuit cutting accelerates the simulation of near-Clifford circuits, allowing 100s of qubits to be evaluated with modest runtimes.

研究动机与目标

• 为解决大规模量子线路在经典计算中指数级的仿真开销，尤其是在含噪声的中等规模量子（NISQ）时代。
• 通过利用近 Clifford 线路中的结构特性，克服现有仿真器在可扩展性方面的限制。
• 开发一种实用且高性能的仿真框架，以支持量子应用的基准测试与算法开发。
• 通过结合高效的 Clifford 仿真与线路切割技术，实现在经典硬件上对包含数百量子比特的线路进行仿真。
• 通过可扩展的后端支持，为未来与真实量子硬件及其他仿真器的集成提供支持。

提出的方法

• 该框架通过识别并隔离大型非 Clifford 线路中的 Clifford 片段，将大尺寸量子线路分解为子线路。
• 利用基于 Stim 的仿真后端，以二次方经典复杂度高效仿真 Clifford 子线路。
• 将非 Clifford 片段从线路中切割出来，并独立执行，再通过线路切割重构过程将结果合并。
• 重构过程使用拼接方程，将各片段仿真所得的概率分布组合，以恢复完整线路的输出。
• 优化措施包括：当已知 Clifford 电路中 Pauli 期望值为零时，跳过下游拼接计算。
• 未来扩展包括并行化解析、仿真与后处理步骤，以及支持 GPU 加速和在真实量子硬件及其他仿真器上的混合执行。

实验结果

研究问题

• RQ1 将 Clifford 仿真与线路切割相结合，是否能够实现对大规模近 Clifford 量子线路的可扩展仿真？
• RQ2 在近 Clifford 线路的仿真中，SuperSim 的运行时间与保真度相较于当前最先进的仿真器表现如何？
• RQ3 Clifford 电路的结构性质（如零 Pauli 期望值）在多大程度上可降低线路切割的计算开销？
• RQ4 在当前实现下，SuperSim 能够高效仿真的最大量子比特数量上限是多少？
• RQ5 在经典仿真器与真实量子硬件之间动态选择后端，如何提升仿真效率？

主要发现

• SuperSim 仅使用适度的经典计算时间，即可实现对包含数百量子比特的近 Clifford 量子线路的仿真，其能力超越了以往仿真器的极限。
• 在涉及近 Clifford 线路的两个基准应用中，该框架相较于当前最先进的方法实现了数个数量级的性能提升。
• 通过隔离 Clifford 子线路，显著降低了仿真成本，因为 Clifford 电路的复杂度随量子比特数呈二次方增长，而非指数增长。
• 通过利用 Clifford 态中许多 Pauli 期望值为零的特性，框架显著减少了下游拼接计算的开销，尤其在多量子比特系统中效果显著。
• 通过并行化线路解析、片段仿真与后处理步骤，性能可进一步提升，未来计划支持 GPU 与多核计算。
• SuperSim 的开源发布预计将加速量子算法设计、错误纠正及硬件开发领域的研究。