JP7439109B2 - 量子回路の最適化 - Google Patents
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Description
古典的計算プロセッサには、中央処理ユニット(CPU)、グラフィカル処理ユニット(GPU)、テンソル処理ユニット(TPU)、特定用途向け集積回路(ASIC)、フィールドプログラマブルゲートアレイなど、それらの束縛されない置換(permutations)を含むことができるが、これらに限定されない。その非限定的な例は、並列化され、マルチコア古典的コンピュータ上で実行され得る古典的最適化関数、並列計算を実行するためのGPUを有する古典的コンピュータなどを含み得る。
テンプレートは、グローバル位相内で、アイデンティティを形成するゲートのリストとみなすこともできる。複数の量子ビットにまたがる多数のゲートを有する非自明なテンプレートを事前に生成して利用し、入力回路を、より少ないゲートを有する同一回路への入力回路および/または計算効率がより良く、またはコスト効果の高い回路解決策へと低減することができる。テンプレートは、典型的には、ゲートのリングとして定義される。その理由は、ユニタリ演算子の積U1U2…UNがアイデンティティに評価されるとき、積の任意の巡回置換もアイデンティティだからである。ここで、Unは第nの演算子を示し、n=1、2、…、nである。
量子ビットマッピングは、入力回路とテンプレート回路との間で量子ビットラベルをマッチングさせることを含む。ゲートマッピングは、入力回路とテンプレート回路との間で、回路のDAG表現上で定義される量子ゲートのタイプと順序をマッチングさせることを含む。2つのマッピングが完了すると、識別を行うことができ、テンプレートベースの最適化を適用することができる。
デジタルプロセッサ310は、少なくとも、例えば、マザーボード上に埋め込まれたビデオカード上に、またはCPUダイ上に存在するCPUおよびGPUを含む高性能コンピューティング(HPC)環境を指すことができる。本明細書で説明される実施形態による量子回路の最適化は、その全体がCPU上で、または部分的にCPUおよびGPU上で実行され得る。代替的な実施形態は、本明細書に記載されるものと同等の進化型HPCコンポーネントにおいて実行されてもよい。
新しい第一のレベルノードは、異なるベアゲートのインスタンスであるため、したがって、ツリーの幅が広がる。ライブラリジェネレータ410は、また、任意の数の量子ビットについてこのようなプロセスを繰り返すことができ、より大きな数の量子ビットインスタンスは、より小さな数の量子ビットインスタンスに見出されるテンプレートをメモリ内に保持することから利益を得ることができる。
Claims (20)
- 量子回路を最適化するコンピュータで実装された方法であって、
量子回路ゲートの第1のセットから、所定の機能を実行する量子回路ゲートの第2のセットを識別するステップと、
非一時的なコンピュータ可読媒体に格納されたテンプレートライブラリを探索して、量子ビットマッピングとゲートマッピングを実行して一致を見つけることにより、前記所定の機能を実行する量子回路ゲートのテンプレートを識別するステップであって、前記ゲートマッピングは、前記量子回路と量子回路ゲートの前記テンプレートとの間で、前記量子回路のグラフィカルな表現上で定義される量子回路ゲートのタイプと順序をマッチングさせることを含む、ステップと、
量子回路ゲートの前記識別されたセットを量子回路ゲートの前記識別されたテンプレートと置換するステップと、
を含む、方法。 - 量子回路ゲートの前記見つかったテンプレートは、量子回路ゲートの前記識別されたセットよりも量子コストが低い、請求項1に記載のコンピュータで実装された方法。
- 前記識別された量子回路ゲートの前記量子コストと、量子回路ゲートの前記見つかったテンプレートの前記量子コストとが、同じアルゴリズムを使用して計算される、請求項2に記載のコンピュータで実装された方法。
- 前記テンプレートライブラリ内の前記テンプレートは、回路トポロジを修正するために並列ゲートを用いて生成される、請求項1に記載のコンピュータで実装された方法。
- 前記方法が、量子回路コンパイルおよび追加の量子最適化とのパイプライン組み合わせで実行される、請求項1に記載のコンピュータで実装された方法。
- 前記方法は、前記量子回路を受信すると、自動的に実行される、請求項1に記載のコンピュータで実装された方法。
- 前記方法は、連続的に実行される、請求項6に記載のコンピュータで実装された方法。
- 前記方法は、並行して実行される、請求項6に記載のコンピュータで実装された方法。
- 非一時的なコンピュータ可読媒体であって、実行時に、デジタル計算プロセッサに、以下の機能、すなわち、
量子回路を受け取る機能と、
前記受け取った量子回路内から、前記デジタル計算プロセッサに結合された非一時的なコンピュータ可読記憶媒体に格納された事前に生成されたテンプレートライブラリからの少なくとも1つのパターンの少なくとも一部とマッチングする量子ゲートのパターンを識別する機能と、
量子ビットマッピングとゲートマッピングを実行して一致を見つけることにより、量子ゲートの置換パターンを求めて、前記テンプレートライブラリを探索する機能であって、前記ゲートマッピングは、前記量子回路と量子回路ゲートのテンプレートとの間で、前記量子回路のグラフィカルな表現上で定義される量子回路ゲートのタイプと順序をマッチングさせることを含む、機能と、
量子ゲートの前記置換パターンの量子コストが、量子ゲートの前記識別されたパターンの量子コストよりも低いことを決定する機能と、
量子ゲートの前記識別されたパターンを量子ゲートの前記置換パターンに置換する機能と、
を実行させる実行可能命令を格納する、非一時的なコンピュータ可読媒体。 - 量子回路ゲートの前記識別されたパターンの前記量子コストと、量子回路ゲートの前記置換パターンの前記量子コストとが、抽象データ構造によって削減される、請求項9に記載の非一時的なコンピュータ可読媒体。
- 量子回路ゲートの前記識別されたパターンの前記量子コストと、量子回路ゲートの前記置換パターンの前記量子コストとが、カスタマイズ可能なコスト関数に従って、それぞれの値が割り当てられる、請求項10に記載の非一時的なコンピュータ可読媒体。
- 量子回路ゲートの前記置換パターンは、少なくとも1つの量子ゲートを含む、請求項9に記載の非一時的なコンピュータ可読媒体。
- 量子ゲートの前記識別されたパターンがアイデンティティ操作で置換される、請求項9に記載の非一時的なコンピュータ可読媒体。
- 前記テンプレートライブラリの探索は、GPU(グラフィックス処理ユニット)上で少なくとも部分的に実行され、CPU(中央処理ユニット)上で少なくとも部分的に実行される、請求項9に記載の非一時的なコンピュータ可読媒体。
- 以前に生成されたテンプレートライブラリからパターンの少なくとも一部とマッチングする量子ゲートのパターンを識別するように構成された回路
を備える、オプティマイザであって、
非一時的なコンピュータ可読媒体に格納されたテンプレートライブラリは、プロセッサに、
量子ゲートの置換パターンを探索し、
量子ゲートの前記置換パターンを識別して、量子ビットマッピングとゲートマッピングを実行して、量子回路と量子回路ゲートのテンプレートとの間の一致を見つけることにより、量子ゲートの前記置換パターンの量子コストが、量子ゲートの前記識別されたパターンの量子コスト未満となるように、量子ゲートの前記識別されたパターンを置換し、
ここで、前記ゲートマッピングは、前記量子回路のグラフィカルな表現上で定義される量子回路ゲートのタイプと順序をマッチングさせることを含み、
量子ゲートの前記識別されたパターンを量子ゲートの前記置換パターンで置換するアルゴリズムを実行することを指示するように構成されている、
オプティマイザ。 - 前記テンプレートライブラリは、量子回路ゲートの前記識別されたパターンの前記量子コストと、量子回路ゲートの前記置換パターンの前記量子コストをそれぞれ表す抽象データ構造を格納する、請求項15に記載のオプティマイザ。
- 量子回路ゲートの前記識別されたパターンの前記量子コストと、量子回路ゲートの前記置換パターンの前記量子コストは、カスタマイズ可能なコスト関数に従って、それぞれの値が割り当てられる、請求項15に記載のオプティマイザ。
- 量子ゲートのそれぞれのパターンの特定の特性が変更可能である、請求項15に記載のオプティマイザ。
- 前記テンプレートライブラリ内のテンプレートは、回路トポロジを修正するために並列ゲートを用いて生成される、請求項15に記載のオプティマイザ。
- 前記テンプレートライブラリ内のテンプレートは、量子回路深さを低減するために並列ゲートを用いて生成される、請求項15に記載のオプティマイザ。
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