論文の概要: Compilation for Surface Code Quantum Computers
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2311.18042v1
- Date: Wed, 29 Nov 2023 19:36:19 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2023-12-01 19:02:26.609586
- Title: Compilation for Surface Code Quantum Computers
- Title（参考訳）: 表面コード量子コンピュータのためのコンパイル
- Authors: Abtin Molavi, Amanda Xu, Swamit Tannu, Aws Albarghouthi
- Abstract要約: 表面符号を実装した量子コンピュータにおける量子回路のコンパイル問題について検討する。
問題となるのは、(1)回路キュービットをデバイスキュービットにマッピングし、(2)相互作用するキュービットのペア間で実行経路をルーティングすることである。
例えば,ノード不連続経路の問題を解くために,グリーディアルゴリズムを利用してSCMRを効率的に緩和する手法を提案する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 8.093450284837559
- License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/
- Abstract: Practical applications of quantum computing depend on fault-tolerant devices
with error correction. Today, the most promising approach is a class of
error-correcting codes called surface codes. In this paper, we study the
problem of compiling quantum circuits for quantum computers implementing
surface codes. The problem involves (1) mapping circuit qubits to the device
qubits and (2) routing execution paths between pairs of interacting qubits. We
call this the surface code mapping and routing problem (SCMR).
Solving SCMR near-optimally is critical for both efficiency and correctness.
An optimal solution limits the cost of a computation in terms of precious
quantum resources and also minimizes the probability of incurring an undetected
logical error, which increases with each additional time step.
We study SCMR from a theoretical and practical perspective. First, we prove
that SCMR, as well as a constrained version of the problem, is NP-complete.
Second, we present a optimal algorithm for solving SCMR that is based on a SAT
encoding. Third, we present a spectrum of efficient relaxations of SCMR, for
example, by exploiting greedy algorithms for solving the problem of
node-disjoint paths. Finally, we implement and evaluate our algorithms on a
large suite of real and synthetic circuits. Our results suggest that our
relaxations are a powerful tool for compiling realistic workloads. The
relaxation-based algorithms are orders of magnitude faster than the optimal
algorithm (solving instances with tens of thousands of gates in minutes), while
still finding high-quality solutions, achieving the theoretical lower bound on
up to 55 out of 168 circuits from a diverse benchmark suite.
- Abstract（参考訳）: 量子コンピューティングの実践的応用は、誤り訂正を伴う耐故障性デバイスに依存する。
今日、最も有望なアプローチは、surface codesと呼ばれるエラー訂正符号のクラスである。
本稿では,曲面符号を実装した量子コンピュータにおける量子回路のコンパイル問題について検討する。
問題は(1)デバイスキュービットへの回路キュービットのマッピング、(2)相互作用するキュービットのペア間の実行パスのルーティングである。
これを表面コードマッピングとルーティング問題(SCMR)と呼ぶ。
SCMRをほぼ最適に解くことは効率と正確性の両方に重要である。
最適な解法は、貴重な量子資源の観点から計算のコストを制限し、また、追加の時間ステップごとに増加する未検出論理誤差を発生させる確率を最小化する。
我々はscmrを理論的かつ実用的な観点から研究する。
まず、scmrは問題の制約付きバージョンと同様にnp完全であることが証明される。
次に,SAT符号化に基づくSCMRの最適解法を提案する。
第3に,ノード分割経路の問題を解くために,グリージーアルゴリズムを利用してSCMRを効率的に緩和する手法を提案する。
最後に,本アルゴリズムを実回路と合成回路の大規模な集合上で実装し,評価する。
結果は、リラクゼーションが現実的なワークロードをコンパイルするための強力なツールであることを示唆している。
緩和に基づくアルゴリズムは、最適なアルゴリズム(数分で数万のゲートを持つインスタンスを解決)よりも桁違いに高速であるが、高品質な解を見つけ、様々なベンチマークスイートから168個の回路のうち55個まで理論的に低い値が得られる。
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