[论文解读] SlackQ : Approaching the Qubit Mapping Problem with A Slack-aware Swap Insertion Scheme

Chi Zhang, Yanhao Chen+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2020

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 17被引用 6

一句话总结

SlackQ 提出了一种针对 NISQ 时代量子计算机的、具备闲暇时间感知能力的交换插入方案，通过利用空闲时间（闲暇）隐藏 SWAP 门的延迟来优化电路执行时间。在来自 RevLib、Qiskit 和 ScaffCC 的 106 个基准测试中，该方法相比最先进的映射器实现了最高 2.36× 的加速和 1.62× 的平均提升。

ABSTRACT

The rapid progress of physical implementation of quantum computers paved the way for the design of tools to help users write quantum programs for any given quantum device. The physical constraints inherent in current NISQ architectures prevent most quantum algorithms from being directly executed on quantum devices. To enable two-qubit gates in the algorithm, existing works focus on inserting SWAP gates to dynamically remap logical qubits to physical qubits. However, their schemes lack consideration of the execution time of generated quantum circuits. In this work, we propose a slack-aware SWAP insertion scheme for the qubit mapping problem in the NISQ era. Our experiments show performance improvement by up to 2.36X at maximum, by 1.62X on average, over 106 representative benchmarks from RevLib, IBM Qiskit , and ScaffCC.

研究动机与目标

• 解决现有量子比特映射器仅最小化门数但忽略电路执行时间的局限性。
• 通过减少执行深度来提升量子电路性能，从而直接影响保真度和量子体积。
• 通过动态识别并利用闲暇时间段，在任意量子架构上实现高效的量子比特映射。
• 开发一种时间感知的量子比特映射器，生成硬件兼容的电路并最小化执行时间。

提出的方法

• 检测量子电路中无活动门调度的闲暇时间段，创建隐藏 SWAP 门执行的时间窗口。
• 在闲暇时段插入 SWAP 操作，以减少整体电路深度，同时不增加总门数。
• 采用动态重映射策略，优先在存在闲暇的区域插入 SWAP，以最小化时间开销。
• 将门延迟建模为单量子比特门 1 个周期，CNOT 门 2 个周期，以反映实际执行时间。
• 使用 C++ 实现映射器，并以 IBM 的 20 量子比特 Q20 Tokyo 架构作为评估目标硬件。
• 自动搜索最优的逻辑到物理量子比特映射，以保持电路正确性的同时最小化执行时间。

实验结果

研究问题

• RQ1 在量子电路中识别并利用闲暇时间是否能减少映射后电路的执行时间？
• RQ2 与以门数优化为目标的映射器相比，闲暇时间感知的 SWAP 插入方案在电路深度和执行时间方面表现如何？
• RQ3 闲暇时间感知映射的性能提升是否随电路规模和复杂度的增加而扩展？
• RQ4 通过减少电路深度，时间感知的量子比特映射是否能提升量子体积和保真度？

主要发现

• SlackQ 在 106 个代表性基准测试中，相比最先进的映射器，最大加速比达 2.36×，平均加速比达 1.62×。
• 对于中型和大型基准（1,000 个以上门），平均加速比分别达到 1.70× 和 1.86×，表明具有更好的可扩展性。
• 性能提升在更大电路中最为显著，因为闲暇时间的利用更加有效。
• SlackQ 在所有基准类别中均优于 Zulehner 和 Sabre 映射器，且在小型电路中对 Zulehner 的相对提升更大。
• 该方法通过在空闲时间段隐藏 SWAP 门延迟，有效减少了电路深度，直接提升了保真度和量子体积潜力。
• 结果证实，超越门数优化，专注于执行时间的优化对实际 NISQ 时代量子编译至关重要。