[论文解读] CollComm: Enabling Efficient Collective Quantum Communication Based on EPR buffering

An‐Bang Wu, Yufei Ding+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 13, 2022

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 6

一句话总结

本文提出 CollComm，一种编译器框架，通过利用空闲数据量子比特作为贝尔对（EPR 对）缓冲区，将量子通信准备与远程纠缠门操作解耦，从而在分布式量子计算中实现高效的集体通信。借助此通信缓冲区，CollComm 平均将节点间通信开销和程序延迟分别降低 50.4% 和 47.6%，显著优于当前最先进的编译器。

ABSTRACT

The noisy and lengthy nature of quantum communication hinders the development of distributed quantum computing. The inefficient design of existing compilers for distributed quantum computing worsens the situation. Previous compilation frameworks couple communication hardware with the implementation of expensive remote gates. However, we discover that the efficiency of quantum communication, especially collective communication, can be significantly boosted by decoupling communication resources from remote operations, that is, the communication hardware would be used only for preparing remote entanglement, and the computational hardware, the component used to store program information, would be used for conducting remote gates. Based on the observation, we develop a compiler framework to optimize the collective communication happening in distributed quantum programs. In this framework, we decouple the communication preparation process in communication hardware from the remote gates conducted in computational hardware by buffering EPR pairs generated by communication hardware in qubits of the computational hardware. Experimental results show that the proposed framework can halve the communication cost of various distributed quantum programs, compared to state-of-the-art compilers for distributed quantum computing.

研究动机与目标

• 为解决现有分布式量子计算（DQC）编译器在硬件约束下处理集体通信效率低下的问题。
• 克服当前框架中通信硬件与远程纠缠门操作紧耦合导致的性能瓶颈。
• 在通信量子比特数量有限的近期分布式量子架构中，实现可扩展、高吞吐量的集体通信。
• 通过将空闲数据量子比特重新用作 EPR 对通信缓冲区，提升设备利用率。
• 提供一种实用且硬件感知的优化框架，弥合逻辑与物理分布式量子计算系统之间的鸿沟。

提出的方法

• 引入一种通信缓冲区抽象，利用空闲数据量子比特存储通信量子比特生成的 EPR 对。
• 通过量子态交换技术，将 EPR 对生成（由通信量子比特处理）与远程纠缠门执行（由计算硬件处理）解耦。
• 利用通信缓冲区存储和管理纠缠的 EPR 对，实现高效、并发且集体的远程操作。
• 设计编译器框架 CollComm，重构分布式量子线路以利用缓冲区实现通信路由与变换的优化。
• 实现两种通信模式——Cat-Comm 和 TP-Comm，针对缓冲区抽象进行集体通信优化。
• 利用缓冲区支持多节点门操作，并减少对昂贵基门分解的依赖。

实验结果

研究问题

• RQ1 将 EPR 对准备与远程纠缠门执行解耦，是否能提升分布式量子计算中集体通信的效率？
• RQ2 如何有效重用空闲数据量子比特作为 EPR 对缓冲区，以降低通信开销？
• RQ3 在通信量子比特数量有限的硬件上，通信缓冲区能在多大程度上缓解性能限制？
• RQ4 基于缓冲区的框架是否能在减少集体操作的延迟与通信开销方面超越现有编译器？
• RQ5 通信缓冲区如何在分层 DQC 系统中实现可扩展、并发且容错的通信？

主要发现

• 与最先进的编译器相比，CollComm 平均将最昂贵的节点间通信请求降低 50.4%。
• 程序延迟平均降低 47.6%，展现出显著的端到端性能提升。
• 该框架实现了多节点门（如 CCCX）的集体实现，而这些在通信量子比特有限的情况下原本难以实现。
• 通信缓冲区支持并发通信请求，并通过重用空闲数据量子比特提升设备利用率。
• 与依赖门分解或串行通信的现有方法相比，该框架在集体通信场景中表现更优，尤其在性能上优势显著。
• 在分层 DQC 系统上的实验结果证实，该框架在多种分布式量子程序中均表现出色。