[论文解读] Multi-programming Cross Platform Benchmarking for Quantum Computing Hardware

Siyuan Niu, Aida Todri‐Sanial|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2022

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 6

一句话总结

本文引入多程序基准测试，以评估超导（IBM）和离子阱（Quantinuum）平台的量子硬件利用率。通过并行执行多个电路，研究发现离子阱设备在保持保真度方面无退化——与超导设备不同——同时将执行成本降低高达31%，表明其在多程序化方面具有更优的适用性。

ABSTRACT

With the rapid development of quantum hardware technologies, benchmarking the performance of quantum computers has become attractive. In this paper, we propose a new aspect of benchmarking quantum computers by evaluating the limitation of hardware utilization using a multi-programming mechanism -- a technique that simultaneously executes multiple circuits in a quantum machine. This is the first attempt to compare the evaluation of multi-programming on trapped-ion and superconducting devices. Based on the experimental results, performing multi-programming on a trapped-ion device demonstrates better results than a superconducting machine without losing any fidelity to independent executions.

研究动机与目标

• 使用多程序化方法评估NISQ时代量子计算机的硬件利用率效率。
• 比较超导（IBM）和离子阱（Quantinuum）量子处理器在多程序化下的保真度与性能。
• 研究多程序化是否因串扰或资源争用导致保真度退化。
• 评估在真实量子硬件上并行执行电路所带来的成本节约与运行时间改进。
• 确定不同量子硬件平台上多程序化的可行性与优势。

提出的方法

• 在IBM ibmq_mumbai（27量子比特超导）和Quantinuum H1-2（12量子比特离子阱）设备上并行执行两个小型量子电路。
• 使用成功试验概率（PST）指标量化两种独立执行与同时执行模式下的电路保真度。
• 在IBM硬件上应用QuMC多程序化算法，并使用Qiskit编译器在最高优化级别下进行优化。
• 在两个平台上对Max-Cut问题求解执行并行QAOA，使用优化的ansatz电路。
• 比较独立运行与同时运行下的保真度、正确解的概率分布以及执行预算。
• 通过比较独立执行与多程序化执行所需的总测量次数，衡量成本节约。

实验结果

研究问题

• RQ1 与独立执行相比，多程序化是否在超导和离子阱量子处理器上导致电路保真度下降？
• RQ2 串扰和量子比特连通性限制如何影响不同量子硬件平台上多程序化的性能？
• RQ3 多程序化在不牺牲保真度的前提下，能在多大程度上降低执行成本和运行时间？
• RQ4 由于全连接拓扑和低错误率，离子阱设备是否能够维持高保真度的并行执行？
• RQ5 硬件拓扑结构（如最近邻与全连接）如何影响多程序化的可行性与性能？

主要发现

• 在IBM ibmq_mumbai上，同时执行相比独立执行导致保真度下降3.4%，表明因串扰或资源争用造成保真度损失。
• 在Quantinuum H1-2上，同时执行的保真度与独立执行相比仅下降0.5%以内，表明退化可忽略。
• 在Quantinuum H1-2上，多程序化相比独立执行将总预算降低了31%，同时保持了高保真度。
• 对于H1-2上的QAOA，正确Max-Cut解的概率之和从单次运行的50%提升至64%和47%（两次并行运行），表明可靠性提高。
• 在IBM上，正确解概率之和从独立执行的42.5%下降至并行运行的38.1%和40.3%，表明性能下降。
• 离子阱设备的全连接拓扑和更低的错误率（1Q：0.01%，2Q：0.35%）使其比超导硬件更有效地支持多程序化。