論文の概要: FPQA-C: A Compilation Framework for Field Programmable Qubit Array

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2311.15123v1
• Date: Sat, 25 Nov 2023 21:57:41 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-11-29 17:03:28.560113
• Title: FPQA-C: A Compilation Framework for Field Programmable Qubit Array
• Title（参考訳）: fpqa-c: field programmable qubit array のコンパイルフレームワーク
• Authors: Hanrui Wang and Pengyu Liu and Bochen Tan and Yilian Liu and Jiaqi Gu and David Z. Pan and Jason Cong and Umut Acar and Song Han
• Abstract要約: 本稿では、FPQAの量子ビットマッピング、原子移動、ゲートスケジューリングに適したコンパイルフレームワークであるFPQA-Cを紹介する。 FPQA-CはIBM Superconducting, FAA with long-range gates, FAA with square and triangular topologies, and a 2Q gate reductions by factor of 5.3x, 3.2x, 3.4x, 2.6x, and the circuit depth reductions by factors of 3.6x, 3.2x, 3.1x, 2.2xを一貫して上回っている。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 20.881121278600368
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: The neutral atom array has gained prominence in quantum computing for its scalability and operation fidelity. Previous works focus on \textit{fixed} atom arrays (FAA) that necessitate extensive SWAP operations for long-range interactions. This work explores a novel architecture known as \textit{field programmable qubit array (FPQA)}, which uniquely allows for coherent atom movements during circuit execution and significantly \textit{reduces the cost of long-range interactions}. However, the atom movements have multiple hardware constraints, making movement scheduling very challenging. In this work, we introduce FPQA-C, a compilation framework tailored for qubit mapping, atom movement, and gate scheduling of FPQA. It contains a qubit-array mapper to decide the coarse-grained mapping of qubit to arrays, leveraging MAX k-Cut on a constructed gate frequency graph to minimize SWAP overhead. Subsequently, a qubit-atom mapper determines the fine-grained mapping of qubits to specific atoms in the array, and considers load balance to prevent hardware constraint violations. We further propose a high-parallelism router that iteratively identifies parallelizable 2Q gates and decide the atom movements and gate executions, thus improving the parallelism. Besides, for fault-tolerant computing with FPQA, we provide comprehensive simulations evaluating logical error rates, execution times, physical qubit requirements, code distances, and bandwidth. We rigorously assess FPQA-C across 20+ diverse benchmarks, including generic circuits (arbitrary, QASMBench, SupermarQ), Quantum Simulation, and QAOA circuits. FPQA-C consistently outperforms the IBM Superconducting, FAA with long-range gates, FAA with rectangular and triangular topologies, achieving 2Q gate reductions by factors of 5.3x, 3.2x, 3.4x, and 2.6x, and circuit depth reductions by factors of 3.6x, 3.2x, 3.1x, and 2.2x, respectively.
• Abstract（参考訳）: 中性原子配列は、そのスケーラビリティと操作の忠実さのために量子コンピューティングで有名になった。 以前の研究では、長距離インタラクションの広範なスワップ操作を必要とする \textit{fixed} atom arrays (faa) に焦点を当てていた。 この研究は、回路実行中に一意にコヒーレントな原子の動きを許容し、長距離相互作用のコストを著しく低減する「textit{field programmable qubit array (FPQA)」と呼ばれる新しいアーキテクチャを探求する。 しかし、原子運動には複数のハードウェア制約があり、運動スケジューリングは非常に困難である。 本研究では、量子ビットマッピング、原子移動、FPQAのゲートスケジューリングに適したコンパイルフレームワークであるFPQA-Cを紹介する。 構成されたゲート周波数グラフ上のMAX k-Cutを利用して、SWAPオーバーヘッドを最小限に抑えるために、qubit の配列への粗粒度マッピングを決定するqubit-arraymapperを含んでいる。 その後、クビット原子マッパーが配列内の特定の原子へのクビットの微細なマッピングを決定し、負荷バランスを考慮してハードウェアの制約違反を防止する。 さらに,並列化可能な2qゲートを反復的に識別し,原子移動とゲート実行を決定する高並列化ルータを提案する。 さらに、fpqaを用いたフォールトトレラントコンピューティングのために、論理エラー率、実行時間、物理キュービット要求、コード距離、帯域幅を評価する包括的なシミュレーションを提供する。 汎用回路(arbitrary, QASMBench, SupermarQ)、量子シミュレーション、QAOA回路など、20以上の多様なベンチマークでFPQA-Cを厳格に評価する。 fpqa-cは、ibmの超伝導、長距離ゲートのfaa、長方形および三角形の位相を持つfaa、5.3x、3.2x、3.4x、2.6xの2qゲート低減、および3.6x、3.2x、3.1x、および2.2xの回路深度低減を一貫して達成している。

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