論文の概要: Accelerating Decision Diagram-based Multi-node Quantum Simulation with Ring Communication and Automatic SWAP Insertion
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2405.09033v1
- Date: Wed, 15 May 2024 02:03:50 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2024-05-16 14:35:45.990791
- Title: Accelerating Decision Diagram-based Multi-node Quantum Simulation with Ring Communication and Automatic SWAP Insertion
- Title（参考訳）: リング通信とSWAP自動挿入による決定ダイアグラムに基づくマルチノード量子シミュレーション
- Authors: Yusuke Kimura, Shaowen Li, Hiroyuki Sato, Masahiro Fujita,
- Abstract要約: 本稿では、リング通信に基づく最適並列化と、決定図に基づく量子シミュレータのマルチノード実装のための自動スワップ挿入手法を提案する。
実験の結果,マルチノード実装により実行時間を最大26倍に削減できることがわかった。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 2.262416218618684
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: An N-bit quantum state requires a vector of length $2^N$, leading to an exponential increase in the required memory with N in conventional statevector-based quantum simulators. A proposed solution to this issue is the decision diagram-based quantum simulator, which can significantly decrease the necessary memory and is expected to operate faster for specific quantum circuits. However, decision diagram-based quantum simulators are not easily parallelizable because data must be manipulated dynamically, and most implementations run on one thread. This paper introduces ring communication-based optimal parallelization and automatic swap insertion techniques for multi-node implementation of decision diagram-based quantum simulators. The ring communication approach is designed so that each node communicates with its neighboring nodes, which can facilitate faster and more parallel communication than broadcasting where one node needs to communicate with all nodes simultaneously. The automatic swap insertion method, an approach to minimize inter-node communication, has been employed in existing multi-node state vector-based simulators, but this paper proposes two methods specifically designed for decision diagram-based quantum simulators. These techniques were implemented and evaluated using the Shor algorithm and random circuits with up to 38 qubits using a maximum of 256 nodes. The experimental results have revealed that multi-node implementation can reduce run-time by up to 26 times. For example, Shor circuits that need 38 qubits can finish simulation in 147 seconds. Additionally, it was shown that ring communication has a higher speed-up effect than broadcast communication, and the importance of selecting the appropriate automatic swap insertion method was revealed.
- Abstract（参考訳）: Nビット量子状態は長さ2^N$のベクトルを必要とするため、従来の状態ベクトルベースの量子シミュレータではNで必要なメモリが指数関数的に増加する。
この問題の解決策として、決定図に基づく量子シミュレータが提案され、必要なメモリを大幅に削減し、特定の量子回路に対してより高速に動作することが期待されている。
しかし、決定図に基づく量子シミュレータは、データが動的に操作される必要があり、ほとんどの実装は1スレッドで実行されるため、容易に並列化できない。
本稿では、リング通信に基づく最適並列化と、決定図に基づく量子シミュレータのマルチノード実装のための自動スワップ挿入手法を提案する。
リング通信方式は、各ノードが隣接するノードと通信するように設計されており、一つのノードがすべてのノードと同時に通信する必要があるブロードキャストよりも高速で並列な通信を容易にする。
ノード間通信を最小化する手法である自動スワップ挿入法は、既存のマルチノード状態ベクトルベースシミュレータに採用されているが、本研究では、決定図に基づく量子シミュレータに特化して設計された2つの方法を提案する。
これらの手法を最大256ノードを用いて最大38キュービットのShorアルゴリズムとランダム回路を用いて実装・評価した。
実験の結果,マルチノード実装により実行時間を最大26倍に削減できることがわかった。
例えば、38量子ビットを必要とするショア回路は147秒でシミュレーションを終了できる。
さらに,リング通信は放送通信よりも高速化効果が高く,適切な自動スワップ挿入法を選択することの重要性が示された。
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