論文の概要: Designing calibration and expressivity-efficient instruction sets for quantum computing

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2106.15490v1
• Date: Tue, 29 Jun 2021 15:15:06 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-03-24 19:34:18.668872
• Title: Designing calibration and expressivity-efficient instruction sets for quantum computing
• Title（参考訳）: 量子コンピューティングのための校正と表現効率のよい命令セットの設計
• Authors: Prakash Murali, Lingling Lao, Margaret Martonosi, Dan Browne
• Abstract要約: 短期量子コンピューティングシステムは、量子ビット数に制限があり、高いゲート(命令)エラー率を持ち、典型的には1つのタイプの2ビットゲート(2Q)を持つ最小命令セットをサポートする。 プログラム命令数を減らし、アプリケーション表現性を向上させるため、ベンダーはXYゲート(Rigetti)やfSimゲート(Google)といったリッチな命令セットの概念実証を行った。 我々の研究は、アプリケーションの表現力とキャリブレーションオーバーヘッドのトレードオフをナビゲートし、ベンダーが許容できるキャリブレーション時間で最高の表現力を得るために何を実装すべきかを特定することを目的としています。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 7.727277545143961
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Near-term quantum computing (QC) systems have limited qubit counts, high gate (instruction) error rates, and typically support a minimal instruction set having one type of two-qubit gate (2Q). To reduce program instruction counts and improve application expressivity, vendors have proposed, and shown proof-of-concept demonstrations of richer instruction sets such as XY gates (Rigetti) and fSim gates (Google). These instruction sets comprise of families of 2Q gate types parameterized by continuous qubit rotation angles. However, having such a large number of gate types is problematic because each gate type has to be calibrated periodically, across the full system, to obtain high fidelity implementations. This results in substantial recurring calibration overheads even on current systems which use only a few gate types. Our work aims to navigate this tradeoff between application expressivity and calibration overhead, and identify what instructions vendors should implement to get the best expressivity with acceptable calibration time. We develop NuOp, a flexible compilation pass based on numerical optimization, to efficiently decompose application operations into arbitrary hardware gate types. Using NuOp and four important quantum applications, we study the instruction set proposals of Rigetti and Google, with realistic noise simulations and a calibration model. Our experiments show that implementing 4-8 types of 2Q gates is sufficient to attain nearly the same expressivity as a full continuous gate family, while reducing the calibration overhead by two orders of magnitude. With several vendors proposing rich gate families as means to higher fidelity, our work has potential to provide valuable instruction set design guidance for near-term QC systems.
• Abstract（参考訳）: 短期量子コンピューティング (qc) システムは、限られた量子ビット数、高いゲート(命令)誤差率を持ち、通常は1つの2量子ビットゲート(2q)を持つ最小命令セットをサポートする。 プログラム命令数を減らし、アプリケーション表現性を向上させるため、ベンダーはXYゲート(Rigetti)やfSimゲート(Google)といったリッチな命令セットの概念実証を行った。 これらの命令セットは、連続キュービット回転角でパラメータ化された2Qゲートタイプのファミリーで構成されている。 しかし, ゲートタイプが多種多様であることは問題であり, 各ゲートタイプを全システムにわたって周期的に校正し, 高い忠実性を実現する必要がある。 これにより、数種類のゲートタイプしか使用していない現在のシステムでも、かなりのキャリブレーションオーバーヘッドが繰り返される。 我々の研究は、アプリケーションの表現力とキャリブレーションオーバーヘッドのトレードオフをナビゲートし、ベンダーが許容できるキャリブレーション時間で最高の表現力を得るために何を実装すべきかを特定することを目的としています。 数値最適化に基づくフレキシブルなコンパイルパスであるNuOpを開発し、アプリケーション操作を任意のハードウェアゲートタイプに効率的に分解する。 NuOpと4つの重要な量子応用を用いて,現実的なノイズシミュレーションと校正モデルを用いて,Rigetti と Google の命令セットを提案する。 実験の結果, 4-8種類の2Qゲートを実装すれば, キャリブレーションオーバーヘッドを2桁に抑えつつ, 完全連続ゲートファミリーとほぼ同じ表現性が得られることがわかった。 いくつかのベンダーが高忠実度化のためにリッチゲートファミリーを提案しており、我々の研究は、短期QCシステムのための貴重な命令セット設計ガイダンスを提供する可能性がある。

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