[论文解读] Tackling the Qubit Mapping Problem for NISQ-Era Quantum Devices

Gushu Li, Yufei Ding+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2018

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 14

一句话总结

本文提出 SABRE，一种基于 SWAP 的双向启发式搜索算法，用于在具有任意耦合约束的 NISQ 时代量子设备上进行量子比特映射。通过针对涉及两量子比特门的量子比特优化搜索空间，利用反向遍历生成高质量初始映射，并引入衰减效应以平衡电路深度与门数，SABRE 相较于先前方法实现了指数级加速，并将额外门数减少高达 91%。

ABSTRACT

Due to little consideration in the hardware constraints, e.g., limited connections between physical qubits to enable two-qubit gates, most quantum algorithms cannot be directly executed on the Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) devices. Dynamically remapping logical qubits to physical qubits in the compiler is needed to enable the two-qubit gates in the algorithm, which introduces additional operations and inevitably reduces the fidelity of the algorithm. Previous solutions in finding such remapping suffer from high complexity, poor initial mapping quality, and limited flexibility and controllability. To address these drawbacks mentioned above, this paper proposes a SWAP-based BidiREctional heuristic search algorithm SABRE, which is applicable to NISQ devices with arbitrary connections between qubits. By optimizing every search attempt,globally optimizing the initial mapping using a novel reverse traversal technique, introducing the decay effect to enable the trade-off between the depth and the number of gates of the entire algorithm, SABRE outperforms the best known algorithm with exponential speedup and comparable or better results on various benchmarks.

研究动机与目标

• 解决 NISQ 时代量子设备中两量子比特门受限于物理耦合量子比特的问题。
• 克服先前方法的局限性，包括运行时间过长、初始映射质量差以及缺乏对电路权衡的可控性。
• 实现在非理想 1D/2D 晶格以外任意耦合拓扑结构的真实硬件上高效编译量子电路。
• 提供一种可扩展且灵活的解决方案，通过可控优化实现电路深度与门数之间的平衡。

提出的方法

• 提出一种基于 SWAP 的双向启发式搜索，通过聚焦于参与两量子比特门的量子比特，减少冗余搜索尝试。
• 引入反向遍历技术，通过优先考虑电路中早期出现的两量子比特门，生成高质量初始映射。
• 在启发式代价函数中引入衰减效应，以优先选择非重叠的 SWAP 操作，从而实现电路深度与门数之间的权衡。
• 通过全局考虑整个电路结构优化搜索过程，从一开始就提升映射质量。
• 采用分层方法处理非重叠操作，类似于 IBM 的 QISKit，但具备更智能的 SWAP 选择机制与更小的搜索空间。
• 通过调节衰减参数实现可控优化，使 SABRE 能够优先选择更短的电路深度或更少的门数。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在保持 NISQ 设备中任意耦合条件下高质量解的前提下，减少量子比特映射的搜索空间？
• RQ2 反向遍历技术是否能通过聚焦于早期出现的纠缠门来提升初始映射质量？
• RQ3 启发式代价函数中的衰减效应在多大程度上能够实现电路深度与附加 SWAP 门数之间的可控权衡？
• RQ4 SABRE 在真实世界基准测试中与 BKA 和 IBM 的映射器等最先进方法相比，性能与效率如何？
• RQ5 SABRE 是否能在保持或提升电路质量的同时，对穷举搜索方法实现指数级加速？

主要发现

• 在小型基准测试中，SABRE 将额外 SWAP 门数减少高达 91%，在某些情况下甚至完全消除。
• 在大型基准测试中，SABRE 相较于最佳已知先前方法实现了指数级加速，同时仍将额外门数减少约 10%。
• 反向遍历技术生成的初始映射质量高于以往方法，显著提升了最终电路质量。
• 衰减效应使 SABRE 能够在电路深度与门数之间实现可控权衡，从而生成针对不同 NISQ 设备特性的优化电路。
• 在 IBM 20 量子比特芯片模型上，SABRE 在执行时间和电路质量方面均优于 IBM 的 QISKit 映射器与 BKA 算法。