論文の概要: TANQ-Sim: Tensorcore Accelerated Noisy Quantum System Simulation via QIR on Perlmutter HPC

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2404.13184v2
• Date: Wed, 23 Oct 2024 16:57:29 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2024-10-24 13:52:40.768838
• Title: TANQ-Sim: Tensorcore Accelerated Noisy Quantum System Simulation via QIR on Perlmutter HPC
• Title（参考訳）: TANQ-Sim:Perlmutter HPC上のQIRによるテンソルコア加速ノイズ量子システムシミュレーション
• Authors: Ang Li, Chenxu Liu, Samuel Stein, In-Saeng Suh, Muqing Zheng, Meng Wang, Yue Shi, Bo Fang, Martin Roetteler, Travis Humble,
• Abstract要約: TANQ-Simは、コヒーレントノイズと非コヒーレントノイズの両方で実用的なディープ回路をシミュレートするために設計された、フルスケールの密度行列ベースのシミュレータである。 このようなシミュレーションにかかわる計算コストに対処するため,新しい密度行列シミュレーション手法を提案する。 また,その性能を最適化するために,密度行列シミュレーションのための特定のゲート融合手法を提案する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 16.27167995786167
• License:
• Abstract: Although there have been remarkable advances in quantum computing (QC), it remains crucial to simulate quantum programs using classical large-scale parallel computing systems to validate quantum algorithms, comprehend the impact of noise, and develop resilient quantum applications. This is particularly important for bridging the gap between near-term noisy-intermediate-scale-quantum (NISQ) computing and future fault-tolerant quantum computing (FTQC). Nevertheless, current simulation methods either lack the capability to simulate noise, or simulate with excessive computational costs, or do not scale out effectively. In this paper, we propose TANQ-Sim, a full-scale density matrix based simulator designed to simulate practical deep circuits with both coherent and non-coherent noise. To address the significant computational cost associated with such simulations, we propose a new density-matrix simulation approach that enables TANQ-Sim to leverage the latest double-precision tensorcores (DPTCs) in NVIDIA Ampere and Hopper GPUs. To the best of our knowledge, this is the first application of double-precision tensorcores for non-AI/ML workloads. To optimize performance, we also propose specific gate fusion techniques for density matrix simulation. For scaling, we rely on the advanced GPU-side communication library NVSHMEM and propose effective optimization methods for enhancing communication efficiency. Evaluations on the NERSC Perlmutter supercomputer demonstrate the functionality, performance, and scalability of the simulator. We also present three case studies to showcase the practical usage of TANQ-Sim, including teleportation, entanglement distillation, and Ising simulation. TANQ-Sim will be released on GitHub.
• Abstract（参考訳）: 量子コンピューティング(QC)には顕著な進歩があったが、古典的な大規模並列計算システムを用いて量子プログラムをシミュレートし、量子アルゴリズムを検証し、ノイズの影響を理解し、レジリエントな量子アプリケーションを開発することが重要である。 これは、近未来のノイズ・中間量子(NISQ)コンピューティングと将来のフォールトトレラント量子コンピューティング(FTQC)のギャップを埋めるために特に重要である。 しかしながら、現在のシミュレーション手法にはノイズをシミュレートする能力がないか、過剰な計算コストでシミュレートできないか、効果的にスケールアウトしないかのいずれかがある。 本稿では,コヒーレントノイズと非コヒーレントノイズの両方で実用的な深部回路をシミュレートする,フルスケール密度行列ベースシミュレータTANQ-Simを提案する。 そこで本研究では, NVIDIA Ampere と Hopper GPU における最新の倍精度テンソルコア (DPTC) を TANQ-Sim で活用する密度行列シミュレーション手法を提案する。 私たちの知る限りでは、AI/ML以外のワークロードに対する倍精度テンソルコアの初めての応用です。 また,その性能を最適化するために,密度行列シミュレーションのための特定のゲート融合手法を提案する。 スケーリングでは,高度なGPU側通信ライブラリであるNVSHMEMを頼りに,通信効率向上のための効率的な最適化手法を提案する。 NERSC Perlmutterスーパーコンピュータの評価では、シミュレータの機能、性能、スケーラビリティが示されている。 また, テレポーテーション, 絡み込み蒸留, イジングシミュレーションなど, TANQ-Sim の実用性を示す3つのケーススタディを提案する。 TANQ-SimはGitHubでリリースされる。

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