[论文解读] Next-Generation Topology of D-Wave Quantum Processors

Kelly Boothby, P. Bunyk+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 29, 2020

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 17被引用 56

一句话总结

介绍 D-Wave 的 Pegasus 拓扑，详细说明其结构、相对于 Chimera 的嵌入优势，以及简单 Ising 模型的初步性能结果。

ABSTRACT

This paper presents an overview of the topology of D-Wave's next-generation quantum processors. It provides examples of minor embeddings and discusses performance of embedding algorithms for the new topology compared to the existing Chimera topology. It also presents some initial performance results for simple, standard Ising model classes of problems.

研究动机与目标

• 介绍 Pegasus 拓扑族及其如何扩展 Chimera。
• 描述 Pegasus 的图论结构、耦合器类型和量子比特度数。
• 演示已知的 Chimera 嵌入如何映射到 Pegasus 并评估嵌入效率。
• 提供简单 Ising 模型类的初步性能结果，以比较 Pegasus 与 Chimera。

提出的方法

• 用公式描述和坐标系定义 Pegasus 拓扑 P_M。
• 引入第三种耦合器类型（奇偶耦合器 odd couplers），并明确三种耦合集合（external、odd、internal）。
• 在 Pegasus 内为团、双团以及 3D/2D 晶格提供构造性嵌入框架。
• 使用 Minorminer 在多种问题集合上比较 Pegasus 与 Chimera 的启发式嵌入性能。
• 分析 Pegasus 的树宽并与 Chimera 进行对比，以讨论算法含义。
• 提出一种利用 odd couplers 的错误纠正方案，以提高逻辑能量标度。

实验结果

研究问题

• RQ1 相较于 Chimera，Pegasus 拓扑如何提高结构化和非结构化问题的嵌入效率？
• RQ2 Pegasus 能实现的嵌入极限（团、双团、晶格）有哪些，且链长的扩展如何？
• RQ3 Pegasus 如何影响树宽及 Ising 模型问题的计算难度？
• RQ4 新的奇偶耦合器是否能够实现实用的错误纠正和对逻辑量子比特的能量尺度提升？
• RQ5 在 Pegasus 与 Chimera 上，标准的启发式嵌入和经典优化基准测试表现如何？

主要发现

• Pegasus 在跨越多种问题集时平均链长度较 Chimera 约减少 50-60%。
• Pegasus 具有更高的连通性（度数 15，量子比特长度 12）并支持 Chimera 中不存在的新的子图类型（K4 和 K6,6）。
• Pegasus 使得可以嵌入更大的团，大小为 12(M-1)，链长为 M 或 M+1，以及双团，最大为 K_{12M-20,12M-20}，链长为 M-1。
• 在 Pegasus 中的立方晶格嵌入扩展到 (M-1)×(M-1)×12，链长为 2，在 P_M 比 Chimera 更高效。
• Pegasus 的树宽介于 12M-11 与 12M-4 之间，高于 Chimera 的 4M，指示不同的算法属性和潜在难度。
• 使用 odd couplers 的初步错误纠正方案在仅使用 internal couplers 进行逻辑交互时可将逻辑能量尺度提高四倍。