[论文解读] Towards Quantum Ray Tracing

Luís Paulo Santos, Thomas Bashford‐Rogers+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2022

Computer Graphics and Visualization Techniques被引用 4

一句话总结

本文提出首个混合量子-经典光线追踪算法，利用Grover算法在光线-几何体相交查询中实现二次加速，将查询复杂度从O(N)降低至O(√N)。通过利用图像空间相干性并引入合理终止准则，该方法在模拟的包含64个几何体的3D环境中，相较经典渲染方式将相交计算量最多减少67%。

ABSTRACT

Rendering on conventional computers is capable of generating realistic imagery, but the computational complexity of these light transport algorithms is a limiting factor of image synthesis. Quantum computers have the potential to significantly improve rendering performance through reducing the underlying complexity of the algorithms behind light transport. This paper investigates hybrid quantum-classical algorithms for ray tracing, a core component of most rendering techniques. Through a practical implementation of quantum ray tracing in a 3D environment, we show quantum approaches provide a quadratic improvement in query complexity compared to the equivalent classical approach. Based on domain specific knowledge, we then propose algorithms to significantly reduce the computation required for quantum ray tracing through exploiting image space coherence and a principled termination criteria for quantum searching. We show results for both Whitted style ray tracing, and for accelerating ray tracing operations when performing classical Monte Carlo integration for area lights and indirect illumination.

研究动机与目标

• 探索利用量子搜索算法进行几何相交查询时在光线追踪中实现量子优势。
• 通过设计混合量子-经典方法，解决当前NISQ时代量子硬件在渲染应用中的局限性。
• 通过图像空间相干性与自适应终止策略，减轻量子测量噪声影响并提升效率。
• 展示在复杂光照现象（如面积光源与间接照明）中实现实际量子加速的潜力。
• 在模拟环境中验证量子光线追踪的可行性，为未来全量子渲染系统铺平道路。

提出的方法

• 使用Grover量子搜索算法在O(√N)次查询内找到光线-几何体相交，相较经典方法的O(N)实现加速。
• 采用类似qRAM的数据结构编码场景几何信息，实现对所有几何体的量子叠加。
• 利用图像空间相干性将量子搜索限制在相关区域，降低概率测量带来的噪声影响。
• 提出一种基于原理的终止准则，动态停止搜索，直至达到足够解的置信度。
• 将3D场景几何体映射至16×16×16的量化网格，使用小整数以最小化量子比特需求。
• 在经典硬件上仿真量子电路以避免噪声影响，同时在ibmq_paris等真实设备上执行以进行可扩展性分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 与经典方法相比，量子搜索算法是否能在光线追踪中提供可测量的性能优势？
• RQ2 如何利用图像空间相干性降低量子测量噪声在光线追踪中的影响？
• RQ3 在光线追踪中，何种最优终止策略可最小化冗余查询而不牺牲精度？
• RQ4 量子光线追踪在复杂场景及面积光源、间接照明等光照模型下的可扩展性如何？
• RQ5 当前量子硬件约束对量子光线追踪算法实际部署有何影响？

主要发现

• 量子光线追踪算法实现查询复杂度从O(N)到O(√N)的二次降低，验证了理论上的量子优势。
• 在64个几何体的Cornell Box场景中，优化后的量子渲染仅需896K次相交计算，相较经典方法的2,678K次减少67%。
• 利用图像空间相干性有效降低量子噪声，提升图像质量，减轻了概率测量带来的伪影。
• 所提出的终止准则显著减少计算量，将每帧相交计算从非优化状态的1.366M次降至896K次。
• 在ibmq_paris真实设备上的执行结果显示结果趋近于均匀分布，归因于电路深度过高（11K门），凸显当前硬件限制。
• 本研究证实量子光线追踪在仿真环境中可行，并为未来量子体积提升后实现全量子渲染系统奠定基础。