Включение механизма мультипрограммирования для квантовых вычислений в эпоху NISQ

Включение механизма мультипрограммирования для квантовых вычислений в эпоху NISQ

Включение механизма мультипрограммирования для квантовых вычислений в эпоху NISQ. Анализ данных PlatoBlockchain. Вертикальный поиск. Ай.

Сиюань Ню1 и Аида Тодри-Саниал2,3

1LIRMM, Университет Монпелье, 34095 Монпелье, Франция
2LIRMM, Университет Монпелье, 34095 Монпелье, CNRS, Франция
3Эйндховенский технологический университет, 5612 AE, Эйндховен, Нидерланды

Находите эту статью интересной или хотите обсудить? Scite или оставить комментарий на SciRate.

Абстрактные

У устройств NISQ есть несколько физических ограничений и неизбежные шумные квантовые операции, и только небольшие схемы могут выполняться на квантовой машине для получения надежных результатов. Это приводит к проблеме недостаточного использования квантового оборудования. Здесь мы решаем эту проблему и улучшаем пропускную способность квантового оборудования, предлагая квантовый мультипрограммный компилятор (QuMC) для одновременного выполнения нескольких квантовых схем на квантовом оборудовании. Этот подход также может сократить общее время работы цепей. Сначала мы вводим диспетчер параллелизма, чтобы выбрать подходящее количество схем, которые будут выполняться одновременно. Во-вторых, мы представляем два разных алгоритма разбиения кубитов для надежного разбиения на несколько цепей — жадный и эвристический. В-третьих, мы используем протокол Simultaneous Randomized Benchmarking для характеристики свойств перекрестных помех и учитываем их в процессе разделения кубитов, чтобы избежать эффекта перекрестных помех во время одновременных исполнений. Наконец, мы улучшаем алгоритм преобразования отображения, чтобы сделать схемы исполняемыми на оборудовании, используя уменьшенное количество вставленных логических элементов. Мы демонстрируем производительность нашего подхода QuMC, одновременно выполняя схемы разных размеров на квантовом оборудовании IBM. Мы также исследуем этот метод на алгоритме VQE, чтобы уменьшить его накладные расходы.

► Данные BibTeX

► Рекомендации

[1] Абдулла Аш-Саки, Махабубул Алам и Сваруп Гхош. Анализ перекрестных помех в устройствах nisq и последствий для безопасности в режиме мультипрограммирования. В материалах Международного симпозиума ACM/​IEEE по маломощной электронике и дизайну, стр. 25–30, 2020a. https://​/​doi.org/​10.1145/​3370748.3406570.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3370748.3406570

[2] Абдулла Аш-Саки, Махабубул Алам и Сваруп Гхош. Экспериментальная характеристика, моделирование и анализ перекрестных помех в квантовом компьютере. IEEE Transactions по квантовой инженерии, 2020b. https://​/​doi.org/​10.1109/​TQE.2020.3023338.
https: / / doi.org/ 10.1109 / TQE.2020.3023338

[3] Радослав С. Бялчак, Маркус Ансманн, Макс Хофхайнц, Эрик Лусеро, Мэтью Нили, А. Д. О'Коннелл, Дэниел Санк, Хаохуа Ван, Джеймс Веннер, Маттиас Штеффен и др. Квантовая томография универсальных запутывающих ворот, реализованных с помощью фазовых кубитов Джозефсона. Nature Physics, 6 (6): 409–413, 2010. https://​/​doi.org/​10.1038/​nphys1639.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphys1639

[4] Карлос Браво-Прието, Райан ЛаРоуз, Марко Сересо, Йигит Субаси, Лукаш Чинчио и Патрик Коулз. Вариационный квантовый линейный решатель: гибридный алгоритм для линейных систем. Бюллетень Американского физического общества, 65, 2020.
Arxiv: 1909.05820

[5] Роберт Калдербэнк и Питер В. Шор. Существуют хорошие квантовые коды исправления ошибок. Physical Review A, 54 (2): 1098, 1996. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.54.1098.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.54.1098

[6] Марко Сересо, Эндрю Аррасмит, Райан Бэббуш, Саймон С. Бенджамин, Сугуру Эндо, Кейсуке Фуджи, Джаррод Р. МакКлин, Косуке Митараи, Сяо Юань, Лукаш Чинчио и др. Вариационные квантовые алгоритмы. Nature Reviews Physics, 3 (9): 625–644, 2021. https://​/​doi.org/​10.1038/​s42254-021-00348-9.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s42254-021-00348-9

[7] Офелия Кроуфорд, Барнаби ван Страатен, Даочен Ван, Томас Паркс, Эрл Кэмпбелл и Стивен Брайерли. Эффективное квантовое измерение операторов Паули при наличии конечной ошибки выборки. Quantum, 5: 385, 2021. https://​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-01-20-385.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-01-20-385

[8] Эндрю В. Кросс, Лев С. Бишоп, Джон А. Смолин и Джей М. Гамбетта. Открытый квантовый язык ассемблера. Препринт arXiv arXiv: 1707.03429, 2017.
Arxiv: 1707.03429

[9] Эндрю В. Кросс, Лев С. Бишоп, Сара Шелдон, Пол Д. Нэйшн и Джей М. Гамбетта. Проверка квантовых компьютеров с использованием рандомизированных модельных схем. Physical Review A, 100 (3): 032328, 2019. https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.100.032328.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.032328

[10] Пулами Дас, Свамит С. Танну, Прашант Дж. Наир и Мойнуддин Куреши. Случай мультипрограммных квантовых компьютеров. В материалах 52-го ежегодного международного симпозиума IEEE/​ACM по микроархитектуре, страницы 291–303, 2019 г. https://​/​doi.org/​10.1145/​3352460.3358287.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3352460.3358287

[11] Юджин Ф. Думитреску, Алекс Дж. Маккаски, Гауте Хаген, Густав Р. Янсен, Титус Д. Моррис, Т. Папенброк, Рафаэль С. Пузер, Дэвид Джарвис Дин и Павел Луговски. Облачные квантовые вычисления атомного ядра. Письма с физическим обзором, 120 (21): 210501, 2018 г. https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.120.210501.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.120.210501

[12] Александр Эрхард, Джоэл Дж. Уоллман, Лукас Постлер, Майкл Мет, Роман Стрикер, Эстебан А. Мартинес, Филипп Шиндлер, Томас Монц, Джозеф Эмерсон и Райнер Блатт. Характеристика крупномасштабных квантовых компьютеров с помощью циклического бенчмаркинга. Nature Communications, 10 (1): 1–7, 2019. https://​/​doi.org/​10.1038/​s41467-019-13068-7.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-019-13068-7

[13] Эктор Абрахам и др. Qiskit: платформа с открытым исходным кодом для квантовых вычислений. https://​/​qiskit.org/​, 2019.
https: // qiskit.org/

[14] Джей М. Гамбетта, А. Д. Корколес, Сет Т. Меркель, Блейк Р. Джонсон, Джон А. Смолин, Джерри М. Чоу, Колм А. Райан, Чад Ригетти, С. Полетто, Томас А. Оки и др. Характеристика адресуемости путем одновременного рандомизированного бенчмаркинга. Письма с физическим обзором, 109 (24): 240504, 2012 г. https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.109.240504.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.109.240504

[15] Пранав Гокхале, Оливия Ангиули, Юншан Дин, Кайвен Гуй, Тиг Томеш, Мартин Сучара, Маргарет Мартоноси и Фредерик Т Чонг. Оптимизация одновременного измерения для приложений вариационного квантового собственного решателя. В 2020 г. Международная конференция IEEE по квантовым вычислениям и инженерии (QCE), страницы 379–390. IEEE, 2020. https://​/​doi.org/​10.1109/​QCE49297.2020.00054.
https: / / doi.org/ 10.1109 / QCE49297.2020.00054

[16] Джан Джакомо Геррески и Чонсу Пак. Двухэтапный подход к планированию квантовых схем. Quantum Science and Technology, 3 (4): 045003, 2018. https://​/​doi.org/​10.1088/​2058-9565/​aacf0b.
https://​/​doi.org/​10.1088/​2058-9565/​aacf0b

[17] Войтех Гавличек, Антонио Д. Корколес, Кристан Темме, Арам В. Харроу, Абхинав Кандала, Джерри М. Чоу и Джей М. Гамбетта. Контролируемое обучение с квантово-расширенными функциональными пространствами. Nature, 567 (7747): 209–212, 2019. https://​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-0980-2.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-0980-2

[18] Тошинари Итоко, Руди Рэймонд, Такаши Имамичи и Ацуши Мацуо. Оптимизация отображения квантовых цепей с использованием вентильного преобразования и коммутации. Интеграция, 70: 43–50, 2020. 10.1016/​j.vlsi.2019.10.004.
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.vlsi.2019.10.004

[19] Абхинав Кандала, Антонио Меццакапо, Кристан Темме, Майка Такита, Маркус Бринк, Джерри М. Чоу и Джей М. Гамбетта. Аппаратно-эффективный вариационный квантовый решатель для малых молекул и квантовых магнитов. Nature, 549 (7671): 242–246, 2017. https://​/​doi.org/​10.1038/​nature23879.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature23879

[20] Иорданис Керенидис и Анупам Пракаш. Квантовый градиентный спуск для линейных систем и метода наименьших квадратов. Physical Review A, 101 (2): 022316, 2020. 10.1103/​PhysRevA.101.022316.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.101.022316

[21] Бенджамин П. Ланьон, Джеймс Д. Уитфилд, Джефф Г. Джиллетт, Майкл Э. Гоггин, Марсело П. Алмейда, Иван Кассал, Джейкоб Д. Биамонте, Масуд Мохсени, Бен Дж. Пауэлл, Марко Барбьери и др. К квантовой химии на квантовом компьютере. Химия природы, 2 (2): 106–111, 2010. https://​/​doi.org/​10.1038/​nchem.483.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nchem.483

[22] Гушу Ли, Юфэй Дин и Юань Се. Решение проблемы отображения кубитов для квантовых устройств эпохи nisq. В материалах двадцать четвертой Международной конференции по архитектурной поддержке языков программирования и операционных систем, страницы 1001–1014, 2019 г. 10.1145/​3297858.3304023.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3297858.3304023

[23] Лей Лю и Синлей Доу. Qucloud: новый механизм сопоставления кубитов для мультипрограммных квантовых вычислений в облачной среде. В 2021 году Международный симпозиум IEEE по высокопроизводительной компьютерной архитектуре (HPCA), страницы 167–178. IEEE, 2021 г. https://​/​doi.org/​10.1109/​HPCA51647.2021.00024.
https://​/​doi.org/​10.1109/​HPCA51647.2021.00024

[24] Пранав Мундада, Дженгьян Чжан, Томас Азар и Эндрю Хоук. Подавление перекрестных помех кубитов в сверхпроводниковой цепи с перестраиваемой связью. Physical Review Applied, 12 (5): 054023, 2019 г. https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevApplied.12.054023.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevApplied.12.054023

[25] Пракаш Мурали, Джонатан М. Бейкер, Али Джавади-Абхари, Фредерик Т. Чонг и Маргарет Мартоноси. Отображения адаптивного к шуму компилятора для шумных квантовых компьютеров среднего масштаба. В материалах двадцать четвертой Международной конференции по архитектурной поддержке языков программирования и операционных систем, стр. 1015–1029, 2019 г. 10.1145/​3297858.3304075.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3297858.3304075

[26] Пракаш Мурали, Дэвид С. Маккей, Маргарет Мартоноси и Али Джавади-Абхари. Программное подавление перекрестных помех на шумных квантовых компьютерах среднего масштаба. В материалах Двадцать пятой международной конференции по архитектурной поддержке языков программирования и операционных систем, страницы 1001–1016, 2020 г. https://​/​doi.org/​10.1145/​3373376.3378477.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3373376.3378477

[27] Сиюань Ню и Аида Тодри-Саниал. Анализ ошибки перекрестных помех в эпоху nisq. Ежегодный симпозиум IEEE Computer Society по СБИС (ISVLSI) 2021 г., стр. 428–430, 2021 г. https://​/​doi.org/​10.1109/​ISVLSI51109.2021.00084.
https://​/​doi.org/​10.1109/​ISVLSI51109.2021.00084

[28] Сиюань Ню, Адриен Суау, Габриэль Штаффельбах и Аида Тодри-Саниал. Аппаратная эвристика для проблемы отображения кубитов в эпоху nisq. IEEE Transactions on Quantum Engineering, 1: 1–14, 2020. 10.1109/​TQE.2020.3026544.
https: / / doi.org/ 10.1109 / TQE.2020.3026544

[29] Ясухиро Окура, Такахико Сато и Родни Ван Метер. Одновременное выполнение квантовых схем в текущих и будущих системах nisq. Препринт arXiv arXiv:2112.07091 https://​/​doi.org/​10.1109/​TQE.2022.3164716, 2021.
https: / / doi.org/ 10.1109 / TQE.2022.3164716
Arxiv: 2112.07091

[30] Элайджа Пелофске, Георг Хан и Христо Н Джиджев. Параллельный квантовый отжиг. Научные отчеты, 12 (1): 1–11, 2022 г. https://​/​doi.org/​10.1038/​s41598-022-08394-8.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41598-022-08394-8

[31] Альберто Перуццо, Джаррод МакКлин, Питер Шадболт, Ман-Хонг Юнг, Сяо-Ци Чжоу, Питер Дж. Лав, Алан Аспуру-Гузик и Джереми Л. О'Брайен. Вариационный решатель собственных значений на фотонном квантовом процессоре. Связь с природой, 5: 4213, 2014. https://​/​doi.org/​10.1038/​ncomms5213 (2014).
https://​/​doi.org/​10.1038/​ncomms5213%20(2014)

[32] Джон Прескилл. Квантовые вычисления в эпоху NISQ и за ее пределами. Quantum, 2: 79, август 2018. ISSN 2521-327X. 10.22331 / кв-2018-08-06-79.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2018-08-06-79

[33] Тимоти Дж. Проктор, Арно Кариньян-Дюга, Кеннет Рудингер, Эрик Нильсен, Робин Блюм-Кохаут и Кевин Янг. Прямой рандомизированный бенчмаркинг для многокубитных устройств. Письма с физическим обзором, 123 (3): 030503, 2019 г. https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.123.030503.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.123.030503

[34] Салоник Реш, Энтони Гутьеррес, Джун Сук Ху, Срикант Бхарадвадж, Ясуко Эккерт, Габриэль Лох, Марк Оскин и Свамит Танну. Ускорение вариационных квантовых алгоритмов с использованием параллелизма цепей. Препринт arXiv arXiv: 2109.01714, 2021.
Arxiv: 2109.01714

[35] Мохан Саровар, Тимоти Проктор, Кеннет Рудингер, Кевин Янг, Эрик Нильсен и Робин Блюм-Кохаут. Обнаружение ошибок перекрестных помех в процессорах квантовой информации. Quantum, 4: 321, 2020. https://​/​doi.org/​10.22331/​q-2020-09-11-321.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2020-09-11-321

[36] Питер В. Шор. Полиномиальные алгоритмы факторизации простых чисел и дискретных логарифмов на квантовом компьютере. SIAM Journal on Computing, 26 (5): 1484–1509, 1997. 10.1137 / S0097539795293172.
https: / / doi.org/ 10.1137 / S0097539795293172

[37] Бочен Тан и Джейсон Конг. Исследование оптимальности существующих инструментов синтеза компоновки квантовых вычислений. IEEE Transactions on Computers, 70 (9): 1363–1373, 2021 г. https://​/​doi.org/​10.1109/​TC.2020.3009140.
https: / / doi.org/ 10.1109 / TC.2020.3009140

[38] Свамит С. Танну и Мойнуддин К. Куреши. Не все кубиты созданы равными: пример политики, учитывающей изменчивость, для квантовых компьютеров эпохи nisq. В материалах двадцать четвертой Международной конференции по архитектурной поддержке языков программирования и операционных систем, стр. 987–999, 2019 г. https://​/​doi.org/​10.1145/​3297858.3304007.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3297858.3304007

[39] Р. Вилле, Д. Гроссе, Л. Тойбер, Г. В. Дуек и Р. Дрекслер. RevLib: Интернет-ресурс для обратимых функций и обратимых цепей. В Международном Симп. по многозначной логике, страницы 220–225, 2008 г. URL http://www.revlib.org.
http://www.revlib.org

[40] Роберт Вилле, Лукас Бургхольцер и Алвин Зуленер. Преобразование квантовых цепей в архитектуры ibm qx с использованием минимального количества операций подкачки и h. 2019-я конференция ACM/​IEEE Design Automation (DAC), 56 г., стр. 1–6. IEEE, 2019. https://​/​doi.org/​10.1145/​3316781.3317859.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3316781.3317859

[41] Фэн Чжан, Ниладри Гомес, Ной Ф. Бертусен, Питер П. Орт, Кай-Чжуан Ван, Кай-Мин Хо и Юн-Синь Яо. Вариационный квантовый решатель с малой схемой, основанный на разделении гильбертова пространства, основанном на симметрии, для квантово-химических расчетов. Physical Review Research, 3 (1): 013039, 2021. https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevResearch.3.013039.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.3.013039

[42] Пэн Чжао, Пэн Сюй, Дун Лан, Цзи Чу, Синьшэн Тан, Хайфэн Юй и Ян Юй. Высококонтрастное zz-взаимодействие с использованием сверхпроводящих кубитов с ангармонизмом противоположного знака. Physical Review Letters, 125 (20): 200503, 2020. https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.125.200503.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.125.200503

Цитируется

[1] Эндрю Эддинс, Марио Мотта, Танви П. Гуджарати, Сергей Брави, Антонио Меццакапо, Чарльз Хэдфилд и Сара Шелдон, «Удвоение размера квантовых симуляторов за счет создания запутанности», PRX Quantum 3 1, 010309 (2022).

[2] Сиюань Ню и Аида Тодри-Саниал, «Эффекты динамической развязки и оптимизации импульсного уровня на квантовых компьютерах IBM», Arxiv: 2204.01471, (2022).

[3] Лана Минех и Эшли Монтанаро, «Ускорение вариационного квантового собственного решателя с использованием параллелизма», Arxiv: 2209.03796, (2022).

[4] Ясухиро Окура, Такахико Сато и Родни Ван Метер, «Одновременное выполнение квантовых схем в текущих и будущих системах NISQ», Arxiv: 2112.07091, (2021).

[5] Сиюань Ню и Аида Тодри-Саниал, «Кросс-платформенный бенчмаркинг мультипрограммирования для аппаратного обеспечения квантовых вычислений», Arxiv: 2206.03144, (2022).

[6] Сиюан Ню и Аида Тодри-Саниал, «Как параллельное выполнение схем может быть полезно для вычислений NISQ?», Arxiv: 2112.00387, (2021).

[7] Гилчан Парк, Кун Чжан, Кванмин Ю и Владимир Корепин, «Квантовое мультипрограммирование для поиска Гровера», ��������� ��������� ���������� 22 1, 54 (2023).

[8] Элайджа Пелофске, Георг Хан и Христо Н. Джиджев, «Динамика шума квантовых отжигов: оценка эффективного шума с использованием бездействующих кубитов», Arxiv: 2209.05648, (2022).

[9] Эван Э. Доббс, Роберт Басмаджян, Александру Палер и Джозеф С. Фридман, «Быстрая замена в квантовом умножителе, смоделированном как сеть массового обслуживания», Arxiv: 2106.13998, (2021).

Приведенные цитаты из САО / НАСА ADS (последнее обновление успешно 2023-02-17 00:11:37). Список может быть неполным, поскольку не все издатели предоставляют подходящие и полные данные о цитировании.

On Цитируемый сервис Crossref Данные о цитировании работ не найдены (последняя попытка 2023-02-17 00:11:35).

Отметка времени:

Больше от Квантовый журнал