[论文解读] Full-Stack, Real-System Quantum Computer Studies: Architectural Comparisons and Design Insights

Prakash Murali, Norbert M. Linke+4 more|arXiv (Cornell University)|May 27, 2019

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 50被引用 38

一句话总结

本文介绍 TriQ，一种跨平台、噪声感知量子编译器，并在七个真实系统原型上覆盖超导和捕获离子技术进行评估，以比较体系结构并展示相对于厂商工具的性能提升。

ABSTRACT

In recent years, Quantum Computing (QC) has progressed to the point where small working prototypes are available for use. Termed Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) computers, these prototypes are too small for large benchmarks or even for Quantum Error Correction, but they do have sufficient resources to run small benchmarks, particularly if compiled with optimizations to make use of scarce qubits and limited operation counts and coherence times. QC has not yet, however, settled on a particular preferred device implementation technology, and indeed different NISQ prototypes implement qubits with very different physical approaches and therefore widely-varying device and machine characteristics. Our work performs a full-stack, benchmark-driven hardware-software analysis of QC systems. We evaluate QC architectural possibilities, software-visible gates, and software optimizations to tackle fundamental design questions about gate set choices, communication topology, the factors affecting benchmark performance and compiler optimizations. In order to answer key cross-technology and cross-platform design questions, our work has built the first top-to-bottom toolflow to target different qubit device technologies, including superconducting and trapped ion qubits which are the current QC front-runners. We use our toolflow, TriQ, to conduct {\em real-system} measurements on 7 running QC prototypes from 3 different groups, IBM, Rigetti, and University of Maryland. From these real-system experiences at QC's hardware-software interface, we make observations about native and software-visible gates for different QC technologies, communication topologies, and the value of noise-aware compilation even on lower-noise platforms. This is the largest cross-platform real-system QC study performed thus far; its results have the potential to inform both QC device and compiler design going forward.

研究动机与目标

• 对跨技术 QC 架构（超导 vs. 捕获离子）进行基准测试，以识别硬件-软件设计影响。
• 开发一个全栈、多平台编译器（TriQ），将高层 QC 程序映射到真实设备并进行特定设备的优化。
• 评估原生门与软件可见门以及连通性对编译质量和程序成功率的影响。
• 为门集合、拓扑以及在 NISQ 系统中的噪声感知编译提供可行建议。

提出的方法

• 构建 TriQ，一种多目标 QC 编译器，接受 Scaffold 程序和设备特征作为输入，并输出厂商特定的可执行代码。
• 基于拓扑和标定数据，为 2Q 操作创建噪声感知的可靠性矩阵；使用 Floyd-Warshall 计算可靠路由路径。
• 通过 SMT 求解器最大化最小可靠性目标，将程序量子比特映射到硬件量子比特。
• 按拓扑关系调度门，尊重依赖关系，在需要时插入优化的 SWAP 路径。
• 将门分解并优化为各厂商的原生门集或软件可见门集；使用四元数表示法优化单量子比特序列。
• 生成 OpenQASM、Quil 或设备特定汇编语言的可执行代码，用于七个真实 QC 平台。

实验结果

研究问题

• RQ1 设备拓扑、原生门集和噪声特征如何影响跨 QC 技术的软件性能与可靠性？
• RQ2 单一的跨平台工具流程（TriQ）是否能在不牺牲性能的前提下实现与厂商编译器的可移植性？
• RQ3 关于软件可见门与原生门及连通性在 NISQ 设备中的价值，能产生哪些架构层面的见解？
• RQ4 噪声感知编译在多大程度上提升超导和捕获离子系统中的程序成功率？

主要发现

• TriQ 在 IBM 设备上相对于 IBM Qiskit 的程序成功率提升高达 28 倍（几何平均值 3 倍），在 Rigetti 上高达 2.3 倍（几何平均值 1.45 倍）。
• TriQ 将 UMDTI 捕获离子结果在无噪声基线下提升最多 1.47 倍。
• 暴露设备特定门使编译时和运行时获得显著优化，优于厂商工具链。
• 噪声感知编译和优化的量子比特通信即使在较低噪声的平台上也能带来显著收益。
• TriQ 可良好扩展至 72 个量子比特，与最大宣布的 NISQ 配置相符。
• 本研究为门选择、拓扑和编译器设计提供跨厂商、跨技术的洞见。