論文の概要: PennyLane-Lightning MPI: A massively scalable quantum circuit simulator based on distributed computing in CPU clusters
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2508.13615v1
- Date: Tue, 19 Aug 2025 08:23:16 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-08-20 15:36:31.845189
- Title: PennyLane-Lightning MPI: A massively scalable quantum circuit simulator based on distributed computing in CPU clusters
- Title（参考訳）: PennyLane-Lightning MPI:CPUクラスタにおける分散コンピューティングに基づく大規模スケーラブル量子回路シミュレータ
- Authors: Ji-Hoon Kang, Hoon Ryu,
- Abstract要約: 量子回路シミュレーションは、理論量子アルゴリズムと物理量子ハードウェアにおけるそれらの実現の間のギャップを埋める上で重要な役割を果たす。
この研究は、スケーラブルな量子回路シミュレーションを可能にするために、PennyLane-LightningスイートのMPIベースの拡張であるPennyLane-Lightning MPIを提示する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.9208007322096533
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Quantum circuit simulations play a critical role in bridging the gap between theoretical quantum algorithms and their practical realization on physical quantum hardware, yet they face computational challenges due to the exponential growth of quantum state spaces with increasing qubit size. This work presents PennyLane-Lightning MPI, an MPI-based extension of the PennyLane-Lightning suite, developed to enable scalable quantum circuit simulations through parallelization of quantum state vectors and gate operations across distributed-memory systems. The core of this implementation is an index-dependent, gate-specific parallelization strategy, which fully exploits the characteristic of individual gates as well as the locality of computation associated with qubit indices in partitioned state vectors. Benchmarking tests with single gates and well-designed quantum circuits show that the present method offers advantages in performance over general methods based on unitary matrix operations and exhibits excellent scalability, supporting simulations of up to 41-qubit with hundreds of thousands of parallel processes. Being equipped with a Python plug-in for seamless integration to the PennyLane framework, this work contributes to extending the PennyLane ecosystem by enabling high-performance quantum simulations in standard multi-core CPU clusters with no library-specific requirements, providing a back-end resource for the cloud-based service framework of quantum computing that is under development in the Republic of Korea.
- Abstract（参考訳）: 量子回路シミュレーションは、理論量子アルゴリズムと物理量子ハードウェアにおける実践的実現の間のギャップを埋める上で重要な役割を担っているが、量子状態空間の指数的成長と量子ビットサイズの増大により計算上の課題に直面している。
本研究は,PennyLane-Lightningスイートの拡張であるPennyLane-Lightning MPIを紹介し,分散メモリシステム間の量子状態ベクトルとゲート操作の並列化によるスケーラブルな量子回路シミュレーションを実現するために開発された。
この実装の中核は、インデックス依存のゲート固有の並列化戦略であり、個々のゲートの特性と、分割状態ベクトルにおける量子ビットインデックスに関連する計算の局所性を完全に活用する。
単一ゲートとよく設計された量子回路を用いたベンチマークテストにより、この手法はユニタリ行列演算に基づく一般的な手法よりも優れた性能を示し、数十万の並列プロセスで最大41量子ビットのシミュレーションをサポートする優れたスケーラビリティを示した。
PennyLaneフレームワークへのシームレスな統合のためのPythonプラグインを備えているこの作業は、標準マルチコアCPUクラスタにおける高性能な量子シミュレーションをライブラリ固有の要求なしに実現し、大韓民国で開発中の量子コンピューティングのクラウドベースのサービスフレームワークのバックエンドリソースを提供することによって、PennyLaneエコシステムの拡張に寄与する。
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