論文の概要: 2QAN: A quantum compiler for 2-local qubit Hamiltonian simulation algorithms

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2108.02099v2
• Date: Sun, 7 Nov 2021 17:41:53 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-03-19 22:33:54.908832
• Title: 2QAN: A quantum compiler for 2-local qubit Hamiltonian simulation algorithms
• Title（参考訳）: 2QAN: 2局所量子ビットハミルトンシミュレーションアルゴリズムのための量子コンパイラ
• Authors: Lingling Lao, Dan E. Browne
• Abstract要約: 量子回路を2局所量子ビットハミルトニアンシミュレーション問題に最適化する2QANというコンパイラを開発した。 2QANは、挿入されたSWAPゲートの数を11.5倍に減らし、ハードウェアゲートのオーバーヘッドを68.5倍に減らし、回路深さのオーバーヘッドを21倍に減らすことができる。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.76146285961466
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Simulating quantum systems is one of the most important potential applications of quantum computers. The high-level circuit defining the simulation needs to be compiled into one that complies with hardware limitations such as qubit architecture (connectivity) and instruction (gate) set. General-purpose quantum compilers work at the gate level and have little knowledge of the mathematical properties of quantum applications, missing further optimization opportunities. Existing application-specific compilers only apply advanced optimizations in the scheduling procedure and are restricted to the CNOT or CZ gate set. In this work, we develop a compiler, named 2QAN, to optimize quantum circuits for 2-local qubit Hamiltonian simulation problems, a framework which includes the important quantum approximate optimization algorithm (QAOA). In particular, we exploit the flexibility of permuting different operators in the Hamiltonian (no matter whether they commute) and propose permutation-aware techniques for qubit routing, gate optimization and scheduling to minimize compilation overhead. 2QAN can target different qubit topologies and different hardware gate sets. Compilation results on four applications (up to 50 qubits) and three quantum computers (namely, Google Sycamore, IBMQ Montreal and Rigetti Aspen) show that 2QAN outperforms state-of-the-art general-purpose compilers and application-specific compilers. Specifically, 2QAN can reduce the number of inserted SWAP gates by 11.5X, reduce overhead in hardware gate count by 68.5X, and reduce overhead in circuit depth by 21X. Experimental results on the Montreal device demonstrate that benchmarks compiled by 2QAN achieve the highest fidelity.
• Abstract（参考訳）: 量子システムのシミュレーションは、量子コンピュータの最も重要な応用の1つである。 シミュレーションを定義する高レベル回路は、キュービットアーキテクチャ(接続性)や命令(ゲート)セットなどのハードウェアの制限を満たすものにコンパイルする必要がある。 汎用量子コンパイラはゲートレベルで動作し、量子アプリケーションの数学的性質に関する知識をほとんど持たず、さらなる最適化の機会を欠いている。 既存のアプリケーション固有のコンパイラはスケジューリング手順において高度な最適化しか適用せず、CNOTまたはCZゲートセットに制限されている。 本研究では,量子近似最適化アルゴリズム(QAOA)を含む2局所量子ビットハミルトニアンシミュレーション問題に対して,量子回路を最適化する2QANというコンパイラを開発した。 特に、ハミルトニアンにおける異なる演算子を置換する柔軟性を活用し、キュービットルーティング、ゲート最適化、スケジューリングのための置換認識手法を提案し、コンパイルオーバーヘッドを最小限に抑える。 2QANは異なるキュービットトポロジと異なるハードウェアゲートセットをターゲットにすることができる。 4つのアプリケーション(最大50キュービット)と3つの量子コンピュータ(Google Sycamore、IBMQ Montreal、Rigetti Aspen)のコンパイル結果から、2QANは最先端の汎用コンパイラとアプリケーション固有のコンパイラより優れていることが分かる。 具体的には、2qanは挿入スワップゲートの数を11.5倍減らし、ハードウェアゲート数を68.5倍減らし、回路深度を21倍減らすことができる。 モントリオール装置の実験結果は、2QANによってコンパイルされたベンチマークが最も忠実であることを示す。

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