論文の概要: FQsun: A Configurable Wave Function-Based Quantum Emulator for Power-Efficient Quantum Simulations

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2411.04471v1
• Date: Thu, 07 Nov 2024 06:44:40 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2024-11-08 19:37:29.936077
• Title: FQsun: A Configurable Wave Function-Based Quantum Emulator for Power-Efficient Quantum Simulations
• Title（参考訳）: FQsun:高効率量子シミュレーションのための構成可能な波動関数に基づく量子エミュレータ
• Authors: Tuan Hai Vu, Vu Trung Duong Le, Hoai Luan Pham, Quoc Chuong Nguyen, Yasuhiko Nakashima,
• Abstract要約: 量子エミュレータのFQsunを提案する。 16ビット浮動小数点、32ビット浮動小数点、16ビット不動小数点、24ビット不動小数点、32ビット不動小数点を含む5つのFQsunバージョンがXilinx ZCU102 FPGA上に実装されている。 FQsunは、9,870回までの強力なCPU上の従来のソフトウェアシミュレータよりも優れたパワー遅延製品を実現している。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.5359378066251386
• License:
• Abstract: Quantum computing has emerged as a powerful tool for solving complex computational problems, but access to real quantum hardware remains limited due to high costs and increasing demand for efficient quantum simulations. Unfortunately, software simulators on CPUs/GPUs such as Qiskit, ProjectQ, and Qsun offer flexibility and support for a large number of qubits, they struggle with high power consumption and limited processing speed, especially as qubit counts scale. Accordingly, quantum emulators implemented on dedicated hardware, such as FPGAs and analog circuits, offer a promising path for addressing energy efficiency concerns. However, existing studies on hardware-based emulators still face challenges in terms of limited flexibility, lack of fidelity evaluation, and power consumption. To overcome these gaps, we propose FQsun, a quantum emulator that enhances performance by integrating four key innovations: efficient memory organization, a configurable Quantum Gate Unit (QGU), optimized scheduling, and multiple number precisions. Five FQsun versions with different number precisions, including 16-bit floating point, 32-bit floating point, 16-bit fixed point, 24-bit fixed point, and 32-bit fixed point, are implemented on the Xilinx ZCU102 FPGA, utilizing between 9,226 and 18,093 LUTs, 1,440 and 7,031 FFs, 344 and 464 BRAMs, and 14 and 88 DSPs and consuming a maximum power of 2.41W. Experimental results demonstrate high accuracy in normalized gate speed, fidelity, and mean square error, particularly with 32-bit fixed-point and floating-point versions, establishing FQsun's capability as a precise quantum emulator. Benchmarking on quantum algorithms such as Quantum Fourier Transform, Parameter-Shift Rule, and Random Quantum Circuits reveals that FQsun achieves superior power-delay product, outperforming traditional software simulators on powerful CPUs by up to 9,870 times.
• Abstract（参考訳）: 量子コンピューティングは複雑な計算問題を解く強力なツールとして登場したが、高コストと効率的な量子シミュレーションの需要の増加により、実際の量子ハードウェアへのアクセスは制限されている。 残念なことに、Qiskit、ProjectQ、QsunなどのCPU/GPU上のソフトウェアシミュレータは、多くのキュービットに対する柔軟性とサポートを提供する。 したがって、FPGAやアナログ回路などの専用ハードウェアに実装された量子エミュレータは、エネルギー効率の懸念に対処するための有望な経路を提供する。 しかしながら、ハードウェアベースのエミュレータに関する既存の研究は、柔軟性の制限、忠実度評価の欠如、消費電力の面で依然として課題に直面している。 これらのギャップを克服するために、効率的なメモリ構成、構成可能な量子ゲートユニット(QGU)、最適化されたスケジューリング、多重数値精度の4つの重要なイノベーションを統合することで、パフォーマンスを向上させる量子エミュレータであるFQsunを提案する。 16ビット浮動小数点、32ビット浮動小数点、16ビット固定点、24ビット固定点、32ビット固定点を含む5つのFQsunバージョンが、Xilinx ZCU102 FPGA上に実装され、9,226 と 18,093 LUT、1,440 と 7,031 FFs、344 と 464 BRAM、14 と 88 DSPsを使用し、最大電力は2.41Wである。 実験により、正規化ゲート速度、忠実度、平均二乗誤差、特に32ビット固定点および浮動小数点バージョンにおいて、FQsunの正確な量子エミュレータとしての能力を確立した。 量子フーリエ変換、パラメータシフト規則、ランダム量子回路などの量子アルゴリズムのベンチマークでは、FQsunが優れたパワー遅延製品を達成し、強力なCPU上の従来のソフトウェアシミュレータを最大9,870倍上回っていることが明らかになった。

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