Застосування механізму мультипрограмування для квантових обчислень в епоху NISQ

Перевидано Платоном

читають: 0

Увімкнення багатопрограмного механізму для квантових обчислень в епоху NISQ PlatoBlockchain Data Intelligence. Вертикальний пошук. Ai.

¹LIRMM, Університет Монпельє, 34095 Монпельє, Франція
²LIRMM, Університет Монпельє, 34095 Монпельє, CNRS, Франція
³Ейндховенський технологічний університет, 5612 AE, Ейндговен, Нідерланди

Вам цей документ цікавий чи ви хочете обговорити? Скайте або залиште коментар на SciRate.

абстрактний

Пристрої NISQ мають кілька фізичних обмежень і неминучі шумні квантові операції, і лише невеликі схеми можуть бути виконані на квантовій машині для отримання надійних результатів. Це призводить до проблеми недостатнього використання квантового обладнання. Тут ми вирішуємо цю проблему та покращуємо пропускну здатність квантового апаратного забезпечення, пропонуючи квантовий багатопрограмний компілятор (QuMC) для одночасного виконання кількох квантових схем на квантовому апаратному забезпеченні. Цей підхід також може зменшити загальний час роботи схем. Спочатку ми представимо менеджер паралелізму, щоб вибрати відповідну кількість ланцюгів, які будуть виконуватися одночасно. По-друге, ми представляємо два різні алгоритми розділення кубітів для розподілу надійних розділів для кількох схем – жадібний і евристичний. По-третє, ми використовуємо протокол одночасного рандомізованого порівняльного аналізу, щоб охарактеризувати властивості перехресних перешкод і врахувати їх у процесі розділення кубітів, щоб уникнути ефекту перехресних перешкод під час одночасного виконання. Нарешті, ми вдосконалюємо алгоритм переходу відображення, щоб зробити схеми виконуваними на апаратному забезпеченні з використанням зменшеної кількості вставлених вентилів. Ми демонструємо продуктивність нашого підходу QuMC, одночасно запускаючи схеми різних розмірів на квантовому обладнанні IBM. Ми також досліджуємо цей метод на алгоритмі VQE, щоб зменшити його накладні витрати.

► Дані BibTeX

@article{Niu2023enablingmulti, doi = {10.22331/q-2023-02-16-925}, url = {https://doi.org/10.22331/q-2023-02-16-925}, title = {Увімкнення { M}ультипрограмний {M}механізм для {Q}квантових {C}обчислень у {NISQ} {E}ra}, автор = {Niu, Siyuan і Todri-Sanial, Aida}, журнал = {{Quantum}} , issn = {2521-327X}, видавець = {{Verein zur F{“{o}}rderung des Open Access Publizierens in den Quantenwissenschaften}}, том = {7}, сторінок = {925}, місяць = лютий, рік = {2023} }

► Список літератури

[1] Абдулла Аш-Сакі, Махабубул Алам і Сваруп Гош. Аналіз перехресних перешкод у пристроях nisq та наслідки для безпеки в багатопрограмному режимі. У матеріалах Міжнародного симпозіуму ACM/IEEE з малопотужної електроніки та дизайну, сторінки 25–30, 2020a. https:///doi.org/10.1145/3370748.3406570.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3370748.3406570

[2] Абдулла Аш-Сакі, Махабубул Алам і Сваруп Гош. Експериментальна характеристика, моделювання та аналіз перехресних перешкод у квантовому комп’ютері. IEEE Transactions on Quantum Engineering, 2020b. https:///doi.org/10.1109/TQE.2020.3023338.
https:///doi.org/10.1109/TQE.2020.3023338

[3] Радослав Більчак, Маркус Ансманн, Макс Гофхайнц, Ерік Лусеро, Метью Нілі, А. Д. О’Коннелл, Деніел Санк, Хаохуа Ван, Джеймс Веннер, Матіас Штеффен та ін. Квантова томографія процесу універсального затвора заплутування, реалізованого за допомогою кубітів фази Джозефсона. Nature Physics, 6 (6): 409–413, 2010. https:///doi.org/10.1038/nphys1639.
https:///doi.org/10.1038/nphys1639

[4] Карлос Браво-Прієто, Райан ЛаРоз, Марко Серезо, Їгіт Субасі, Лукаш Сінчіо та Патрік Коулз. Варіаційний квантовий лінійний розв’язувач: гібридний алгоритм для лінійних систем. Бюлетень Американського фізичного товариства, 65, 2020.
arXiv: 1909.05820

[5] Роберт Колдербенк і Пітер Шор. Існують хороші квантові коди для виправлення помилок. 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 Серезо, Ендрю Аррасміт, Раян Беббуш, Саймон С. Бенджамін, Сугуру Ендо, Кейсуке Фуджі, Джаррод Р. Макклін, Косуке Мітараі, Сяо Юань, Лукаш Сінчіо та ін. Варіаційні квантові алгоритми. 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] Офелія Кроуфорд, Барнабі ван Стратен, Даочен Ван, Томас Паркс, Ерл Кемпбелл і Стівен Брірлі. Ефективне квантове вимірювання операторів Паулі за наявності кінцевої помилки вибірки. 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] Ендрю В. Крос, Лев С. Бішоп, Джон А. Смолін і Джей М. Гамбетта. Відкрита мова квантового асемблера. Препринт arXiv arXiv:1707.03429, 2017.
arXiv: 1707.03429

[9] Ендрю В. Кросс, Лев С. Бішоп, Сара Шелдон, Пол Д. Нейшн і Джей М. Гамбетта. Перевірка квантових комп’ютерів за допомогою рандомізованих модельних 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] Пуламі Дас, Сваміт С. Танну, Прашант Дж. Наір та Моінуддін Куреші. Випадок для багатопрограмних квантових комп’ютерів. У матеріалах 52-го щорічного міжнародного симпозіуму IEEE/ACM з мікроархітектури, сторінки 291–303, 2019. https:///doi.org/10.1145/3352460.3358287.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3352460.3358287

[11] Юджин Ф. Думітреску, Алекс Дж. Маккаскі, Гауте Хаген, Густав Р. Янсен, Тітус Д. Морріс, Т. Папенброк, Рафаель С. Пузер, Девід Джарвіс Дін і Павел Луговскі. Хмарні квантові обчислення атомного ядра. Physical review letters, 120 (21): 210501, 2018. https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.210501.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.120.210501

[12] Олександр Ерхард, Джоел Дж. Уолман, Лукас Постлер, Майкл Мет, Роман Стрікер, Естебан Мартінес, Філіп Шиндлер, Томас Монц, Джозеф Емерсон і Райнер Блатт. Характеристика великомасштабних квантових комп’ютерів за допомогою порівняльного аналізу циклу. 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] Гектор Абрахам та ін. Qiskit: фреймворк з відкритим кодом для квантових обчислень. https:///qiskit.org/, 2019.
https:///qiskit.org/

[14] Джей М. Гамбетта, А. Д. Корколес, Сет Т. Меркель, Блейк Р. Джонсон, Джон А. Смолін, Джеррі М. Чоу, Колм А. Раян, Чад Рігетті, С. Полетто, Томас А. Окі та ін. Характеристика адресності шляхом одночасного рандомізованого бенчмаркінгу. Physical review letters, 109 (24): 240504, 2012. https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.109.240504.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.109.240504

[15] Пранав Гокхале, Олівія Ангіулі, Йоншан Дін, Кайвен Гуй, Тіг Томеш, Мартін Сучара, Маргарет Мартоносі та Фредерік Чонг. Оптимізація одночасного вимірювання для варіаційних квантових власних розв’язувачів. У 2020 році Міжнародна конференція IEEE з квантових обчислень та інженерії (QCE), сторінки 379–390. IEEE, 2020. https:///doi.org/10.1109/QCE49297.2020.00054.
https: / / doi.org/ 10.1109 / QCE49297.2020.00054

[16] Джан Джакомо Герескі та парк Джонсу. Двоступеневий підхід до планування квантових схем. Квантова наука та технологія, 3 (4): 045003, 2018. https:///doi.org/10.1088/2058-9565/aacf0b.
https:///doi.org/10.1088/2058-9565/aacf0b

[17] Войтех Гавлічек, Антоніо Д. Корколес, Крістан Темме, Арам В. Харроу, Абхінав Кандала, Джеррі М. Чоу та Джей М. Гамбетта. Контрольоване навчання з квантово розширеними просторами функцій. 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] Тосінарі Ітоко, Руді Реймонд, Такаші Імамічі та Ацуші Мацуо. Оптимізація квантового відображення ланцюга за допомогою перетворення вентиля та комутації. Інтеграція, 70: 43–50, 2020. 10.1016/j.vlsi.2019.10.004.
https:///doi.org/10.1016/j.vlsi.2019.10.004

[19] Абхінав Кандала, Антоніо Меццакапо, Крістан Темме, Майка Такіта, Маркус Брінк, Джеррі М. Чоу та Джей М. Гамбетта. Апаратно ефективний варіаційний квантовий розв’язувач власних сигналів для малих молекул і квантових магнітів. Nature, 549 (7671): 242–246, 2017. https:///doi.org/10.1038/nature23879.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature23879

[20] Іорданіс Керенідіс та Анупам Пракаш. Квантовий градієнтний спуск для лінійних систем і найменших квадратів. Physical Review A, 101 (2): 022316, 2020. 10.1103/PhysRevA.101.022316.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.101.022316

[21] Бенджамін П. Ланьон, Джеймс Д. Вітфілд, Джефф Дж. Гіллетт, Майкл Е. Гогін, Марсело П. Алмейда, Іван Кассал, Джейкоб Д. Б’ямонте, Масуд Мохсені, Бен Дж. Пауелл, Марко Барб’єрі та ін. Назустріч квантовій хімії на квантовому комп’ютері. Природна хімія, 2 (2): 106–111, 2010. https:///doi.org/10.1038/nchem.483.
https:///doi.org/10.1038/nchem.483

[22] Гушу Лі, Юфей Дін і Юань Се. Вирішення проблеми відображення кубітів для квантових пристроїв епохи nisq. У матеріалах Двадцять четвертої міжнародної конференції з архітектурної підтримки мов програмування та операційних систем, сторінки 1001–1014, 2019 р. 10.1145/3297858.3304023.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3297858.3304023

[23] Лей Лю і Сінглей Доу. Qucloud: новий механізм відображення кубітів для багатопрограмного квантового обчислення в хмарному середовищі. У 2021 році Міжнародний симпозіум IEEE з високопродуктивної комп’ютерної архітектури (HPCA), сторінки 167–178. IEEE, 2021. https:///doi.org/10.1109/HPCA51647.2021.00024.
https:///doi.org/10.1109/HPCA51647.2021.00024

[24] Пранав Мундада, Ген'ян Чжан, Томас Хазард та Ендрю Хоук. Придушення перехресних перешкод кубітів у надпровідній схемі регульованого зв’язку. Physical Review Applied, 12 (5): 054023, 2019. https:///doi.org/10.1103/PhysRevApplied.12.054023.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevApplied.12.054023

[25] Пракаш Муралі, Джонатан М. Бейкер, Алі Джаваді-Абхарі, Фредерік Чонг і Маргарет Мартоносі. Адаптивні до шуму відображення компілятора для квантових комп’ютерів із проміжним рівнем шуму. У матеріалах Двадцять четвертої міжнародної конференції з архітектурної підтримки мов програмування та операційних систем, сторінки 1015–1029, 2019. 10.1145/3297858.3304075.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3297858.3304075

[26] Пракаш Муралі, Девід Сі Маккей, Маргарет Мартоносі та Алі Джаваді-Абхарі. Програмне пом'якшення перехресних перешкод на шумних квантових комп'ютерах середнього масштабу. У матеріалах Двадцять п’ятої міжнародної конференції з підтримки архітектури мов програмування та операційних систем, сторінки 1001–1016, 2020 р. https://doi.org/10.1145/3373376.3378477.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3373376.3378477

[27] Сіюань Ніу та Аїда Тодрі-Саніал. Аналіз помилки перехресних перешкод в епоху nisq. У 2021 році на щорічному симпозіумі IEEE Computer Society з НВІС (ISVLSI), сторінки 428–430, 2021 р. https://doi.org/10.1109/ISVLSI51109.2021.00084.
https:///doi.org/10.1109/ISVLSI51109.2021.00084

[28] Сіюан Ніу, Адрієн Суау, Габріель Стаффельбах і Аїда Тодрі-Саніал. Евристика з урахуванням апаратного забезпечення для проблеми відображення кубітів в епоху nisq. IEEE Transactions on Quantum Engineering, 1: 1–14, 2020. 10.1109/TQE.2020.3026544.
https:///doi.org/10.1109/TQE.2020.3026544

[29] Ясухіро Окура, Такахіко Сатох і Родні Ван Метер. Одночасне виконання квантових схем на поточних і найближчих майбутніх 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] Елайджа Пелофске, Георг Ган і Христо Н. Джіджев. Паралельний квантовий відпал. Наукові звіти, 12 (1): 1–11, 2022. https:///doi.org/10.1038/s41598-022-08394-8.
https://doi.org/10.1038/s41598-022-08394-8

[31] Альберто Перуццо, Джаррод МакКлін, Пітер Шедболт, Ман-Хонг Юнг, Сяо-Ці Чжоу, Пітер Дж. Лав, Алан Аспуру-Гузік і Джеремі Л О’Браєн. Варіаційний вирішувач власних значень на фотонному квантовому процесорі. Nature Communications, 5: 4213, 2014. https:///doi.org/10.1038/ncomms5213 (2014).
https:///doi.org/10.1038/ncomms5213%20(2014)

[32] Джон Прескілл. Квантові обчислення в епоху NISQ та не тільки. Квант, 2: 79, серпень 2018. ISSN 2521-327X. 10.22331 / q-2018-08-06-79.
https://doi.org/10.22331/q-2018-08-06-79

[33] Тімоті Дж. Проктор, Арно Каріньян-Дюгас, Кеннет Рудінгер, Ерік Нільсен, Робін Блюм-Кохаут і Кевін Янг. Прямий рандомізований бенчмаркінг мультикубітних пристроїв. Physical review letters, 123 (3): 030503, 2019. https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.030503.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.123.030503

[34] Салонік Реш, Ентоні Гутьєррес, Джун Сук Ху, Срікант Бхарадвадж, Ясуко Екерт, Габріель Лох, Марк Оскін і Сваміт Танну. Прискорення варіаційних квантових алгоритмів з використанням паралелізму схем. Препринт arXiv arXiv:2109.01714, 2021.
arXiv: 2109.01714

[35] Мохан Саровар, Тімоті Проктор, Кеннет Рудінгер, Кевін Янг, Ерік Нільсен і Робін Блюм-Кохаут. Виявлення помилок перехресних перешкод у квантових інформаційних процесорах. 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] Пітер В. Шор. Поліноміальні часові алгоритми для розкладання простих факторів та дискретних логарифмів на квантовій ЕОМ. Журнал SIAM з обчислювальної техніки, 26 (5): 1484–1509, 1997. 10.1137 / S0097539795293172.
https: / / doi.org/ 10.1137 / S0097539795293172

[37] Бочен Тан і Джейсон Конг. Дослідження оптимальності існуючих інструментів синтезу макетів квантових обчислень. IEEE Transactions on Computers, 70 (9): 1363–1373, 2021. https:///doi.org/10.1109/TC.2020.3009140.
https: / / doi.org/ 10.1109 / TC.2020.3009140

[38] Сваміт С. Танну та Мойнуддін К. Куреші. Не всі кубіти створені однаковими: аргумент на користь політики з урахуванням змінності для квантових комп’ютерів епохи nisq. У матеріалах Двадцять четвертої міжнародної конференції з архітектурної підтримки мов програмування та операційних систем, сторінки 987–999, 2019 р. https://doi.org/10.1145/3297858.3304007.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3297858.3304007

[39] Р. Вілле, Д. Гроссе, Л. Тойбер, Г. В. Дуек і Р. Дрехслер. RevLib: Інтернет-ресурс для оборотних функцій і оборотних схем. Int’l Symp. on Multi-Valued Logic, сторінки 220–225, 2008. URL http:///www.revlib.org.
http://www.revlib.org

[40] Роберт Вілле, Лукас Бурггольцер і Елвін Зуленер. Відображення квантових схем на архітектури ibm qx за допомогою мінімальної кількості операцій swap і h. На 2019-й конференції ACM/IEEE Design Automation Conference (DAC) у 56 році, сторінки 1–6. IEEE, 2019. https:///doi.org/10.1145/3316781.3317859.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3316781.3317859

[41] Фен Чжан, Ніладрі Гомес, Ной Ф. Бертусен, Пітер П. Орт, Цай-Чжуан Ван, Кай-Мін Хо та Йон-Сінь Яо. Варіаційний квантовий розв’язувач власних сигналів із дрібними ланцюгами на основі симетричного розбиття гільбертового простору для квантово-хімічних обчислень. Physical Review Research, 3 (1): 013039, 2021. https:///doi.org/10.1103/PhysRevResearch.3.013039.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.3.013039

[42] Пен Чжао, Пен Сюй, Дун Лан, Джи Чу, Сіньшен Тан, Хайфен Юй і Ян Юй. Висококонтрастна взаємодія z z з використанням надпровідних кубітів з ангармонічністю протилежного знака. Physical Review Letters, 125 (20): 200503, 2020. https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.200503.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.125.200503

Цитується

[1] Ендрю Еддінс, Маріо Мотта, Танві П. Гуджараті, Сергій Бравій, Антоніо Меццакапо, Чарльз Гедфілд і Сара Шелдон, «Подвоєння розміру квантових симуляторів за допомогою підробки заплутаності», PRX Quantum 3 1, 010309 (2022).

[2] Сіюань Ніу та Аїда Тодрі-Саніал, «Ефекти динамічного роз’єднання та оптимізації імпульсного рівня на квантових комп’ютерах IBM», arXiv: 2204.01471, (2022).

[3] Лана Міне та Ешлі Монтанаро, «Прискорення варіаційного квантового розв’язувача власних джерел за допомогою паралелізму», arXiv: 2209.03796, (2022).

[4] Ясухіро Окура, Такахіко Сато та Родні Ван Метер, «Одночасне виконання квантових схем у поточних і найближчих майбутніх системах NISQ», arXiv: 2112.07091, (2021).

[5] Сіюань Ніу та Аїда Тодрі-Саніал, «Багатопрограмний кросплатформний бенчмаркінг апаратного забезпечення квантових обчислень», arXiv: 2206.03144, (2022).

[6] Сіюань Ніу та Аїда Тодрі-Саніал, «Як виконання паралельних схем може бути корисним для обчислень NISQ?», arXiv: 2112.00387, (2021).

[7] Гілчан Парк, Кун Чжан, Кванмін Ю та Володимир Корепін, «Квантове мультипрограмування для пошуку Гровера», Квантова обробка інформації 22 1, 54 (2023).

[8] Елайджа Пелофске, Георг Хан і Христо Н. Джіджев, «Динаміка шуму квантових віджигів: оцінка ефективного шуму за допомогою неактивних кубітів», arXiv: 2209.05648, (2022).

[9] Еван Е. Доббс, Роберт Басмаджян, Александру Палер і Джозеф С. Фрідман, «Швидка заміна в квантовому помножувачі, змодельованому як мережа масового обслуговування», arXiv: 2106.13998, (2021).

Вищезазначені цитати від SAO / NASA ADS (останнє оновлення успішно 2023-02-17 00:11:37). Список може бути неповним, оскільки не всі видавці надають відповідні та повні дані про цитування.

On Служба, на яку посилається Crossref даних про цитування робіт не знайдено (остання спроба 2023-02-17 00:11:35).

Ця стаття опублікована в Quantum під Creative Commons Attribution 4.0 International (CC на 4.0) ліцензія. Авторське право залишається за оригінальними власниками авторських прав, такими як автори або їх установи.

Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
Платоблокчейн. Web3 Metaverse Intelligence. Розширені знання. Доступ тут.
джерело: https://quantum-journal.org/papers/q-2023-02-16-925/

Часова мітка: 16 Лютого, 2023

Часова мітка: Листопад 28, 2023

Включення багатопрограмного механізму для квантових обчислень в епоху NISQ

Перевидано Платоном

абстрактний

► Дані BibTeX

► Список літератури

Цитується

Більше від Квантовий журнал

Виправлення незалежних і неідентично розподілених помилок за допомогою поверхневих кодів

Аксіоми для ретродикції: досягнення симетрії обернення часу з апріором

Безплідні плато в оптимізації квантової тензорної мережі

Коди продуктів квантового тензора Ріда-Мюллера з підтримкою заплутаності

Оптимізація варіаційних квантових алгоритмів за допомогою qBang: ефективне переплетення метрики та імпульсу для навігації рівномірними енергетичними ландшафтами

Несумісність квантових приладів

Відносні факти реляційної квантової механіки несумісні з квантовою механікою

Експерименти зі стабільністю: забуті подвійні експерименти з пам’яттю

Вимірювання енергії залишаються термометрично оптимальними за межами слабкого зв’язку

Про нас

Вертикальний пошук & Ai

платформа

Залишайтеся на зв'язку

рахунки