NISQ 컴퓨터를 위한 최적 큐비트 매핑

Abstract

Master양자 알고리즘을 상용화된 양자 컴퓨터 (NISQ) 에서 수행하기 위해서, 커플링 제 약을 해결할 수 있도록 특정 게이트를 추가 시키면서 양자 회로를 재설계하는 과정이 필요하고, 이 과정을 양자 컴파일이라고 한다. 본 논문은 추가되는 회로 오버헤드를 최소화하는 것을 목표로 NISQ 컴퓨터에 대한 두 단계 양자 매핑 절차를 제시한다. 제안하는 양자 컴파일의 과정은 크게 두 부분 – 초기 매핑과 메인 매핑으로 이루어 진다. 먼저, 초기 매핑 과정은 그래프 매칭 방식을 이용하여 추가되는 오버헤드를 줄일 수 있는 큐비트 매핑을 찾는 것이다. 현재의 양자 컴퓨터 구조들은 그래프의 형태로 나타나기 때문에, 양자 알고리즘을 나타내는 양자 회로들 또한 2-큐비트 게이 트들 간의 관계를 이용하여 상호관계 그래프로 정의시킬 수 있고, 두 그래프 사이의 그래프 매칭을 이용하여 추가되는 오버헤드를 줄일 수 있는 초기 매핑을 찾았다. 다음으로, 메인 매핑 과정은 앞서 찾은 초기 매핑을 바탕으로 실제 양자 알고리즘을 실행시키는 과정에서 생기는 커플링 제약을 해결하는 과정이다. 메인 매핑 과정에 서는 커플링 제약을 해결하기 위하여 스왑 게이트 등을 추가하는 과정에서, 최적의 스왑 게이트를 추가하기 위해서 이용할 휴리스틱 비용 함수를 정의하였다. 또한, 이를 이용하여 스왑 게이트와 브릿지 게이트를 선택하여 메인 매핑을 수행하였다. 기존 우수한 컴파일러 [13]와 비교하여, 제안하는 양자 컴파일러는 컴파일러의 회로 오버 헤드인 추가되는 CNOT 게이트의 수를 평균적으로 20 % 줄일 수 있었고, 그 중 사이즈가 큰 빅-3 벤치마크들에 대하여 전체 컴파일 시간을 70 % 감소시켰다.With the promise to surpass the performance of a classical computer, quantum computing has a bright future as a new computing paradigm. Along with the rapid development of quantum computing, real quantum computers has been created to execute the quantum algorithms. However, modern quantum computers have some problems when performing quantum algorithms directly. To execute quantum algorithms onto the quantum computers, redesigning a quantum circuit is required, and this process is defined as quantum circuit mapping or quantum compile. In this thesis, a two-step quantum compiler is proposed for quantum circuit-mapping to the noisy intermediate-scale quantum computer; (1) initial mapping and (2) main mapping. I propose the newly graph matching method to generate the inexpensive initial mapping. I use the decay cost function for calculating heuristic cost, and a Bridge gate to resolve the connectivity constraints. Compared to the state-of-the-art compiler [13], my quantum compiler reduces the circuit overhead and run-time of the compiler by 20% and 70%, respectively