論文の概要: PIMutation: Exploring the Potential of PIM Architecture for Quantum Circuit Simulation

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2503.00668v1
• Date: Sat, 01 Mar 2025 23:48:12 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-03-05 19:17:32.632138
• Title: PIMutation: Exploring the Potential of PIM Architecture for Quantum Circuit Simulation
• Title（参考訳）: PIMutation:量子回路シミュレーションのためのPIMアーキテクチャの可能性を探る
• Authors: Dongin Lee, Enhyeok Jang, Seungwoo Choi, Junwoong An, Cheolhwan Kim, Won Woo Ro,
• Abstract要約: 我々は、高速かつエネルギー効率の量子回路シミュレーションを実現するために、PIM(PIM framework for qUanTum circuit simulation)を導入する。 PIMutationには、実際のPIMシステムを用いた量子回路シミュレーションのオーバーヘッドを克服するための3つの最適化戦略が組み込まれている。 評価の結果,PIMutation の平均速度は2.99x と 16.51x であり,CPU 上でのQuESTシミュレータよりも 25.23% と 75.29% のエネルギー削減を実現している。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 3.981093560880829
• License:
• Abstract: Quantum circuit simulations are essential for the verification of quantum algorithms on behalf of real quantum devices. However, the memory requirements for such simulations grow exponentially with the number of qubits involved in quantum programs. Moreover, a substantial number of computations in quantum circuit simulations cause low locality data accesses, as they require extensive computations across the entire table of the full state vector. These characteristics lead to significant latency and energy overheads during data transfers between the CPU and main memory. Processing-in-Memory (PIM), which integrates computational logic near DRAM banks, could present a promising solution to address these challenges. In this paper, we introduce PIMutation (PIM framework for qUanTum circuit simulATION) for achieving fast and energy-efficient quantum circuit simulation. PIMutation is the first attempt to leverage UPMEM, a publicly available PIM-integrated DIMM, to implement quantum circuit simulations. PIMutation incorporates three optimization strategies to overcome the overhead of quantum circuit simulation using the real PIM system: (i) gate merging, (ii) row swapping, and (iii) vector partitioning. Our evaluations show that PIMutation achieves an average speedup of 2.99x and 16.51x with a reduction of energy of 25.23% and 75.29% over the QuEST simulator on CPU in 16- and 32-qubit benchmarks, respectively.
• Abstract（参考訳）: 量子回路シミュレーションは、実際の量子デバイスのために量子アルゴリズムの検証に不可欠である。 しかし、そのようなシミュレーションのメモリ要求は、量子プログラムに関わる量子ビットの数とともに指数関数的に増加する。 さらに、量子回路シミュレーションにおけるかなりの数の計算は、全状態ベクトルのテーブル全体にわたる広範な計算を必要とするため、ローカリティデータアクセスを低くする。 これらの特性は、CPUとメインメモリ間のデータ転送において、大きなレイテンシとエネルギーオーバーヘッドをもたらす。 DRAMバンクに近い計算ロジックを統合するPIM(Processing-in-Memory)は、これらの課題に対処するための有望なソリューションを提供する可能性がある。 本稿では,高速かつエネルギー効率の量子回路シミュレーションを実現するためのPIM(PIM framework for qUanTum circuit simulation)を提案する。 PIMutationは、公開のPIM統合DIMMであるUPMEMを活用して量子回路シミュレーションを実装する最初の試みである。 PIMutationは、実際のPIMシステムを用いた量子回路シミュレーションのオーバーヘッドを克服するための3つの最適化戦略を取り入れている。 (i)門の合流、 (二)行スワッピング、及び (三)ベクトル分割 評価の結果, PIMutation の平均速度は2.99x と 16.51x であり, それぞれ 16-bit ベンチマークと 32-qubit ベンチマークでQuEST シミュレータで 25.23% と 75.29% の削減を実現している。

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