本研究由美国匹兹堡大学(University of Pittsburgh)的Aditya Pawar、Yingheng Li、Zewei Mo、Yanan Guo、Xulong Tang、Youtao Zhang和Jun Yang合作完成,论文标题为《QRCC: Evaluating Large Quantum Circuits on Small Quantum Computers Through Integrated Qubit Reuse and Circuit Cutting》,发表于2024年4月27日至5月1日举办的ACM国际会议ASPLOS ‘24(29th ACM International Conference on Architectural Support for Programming Languages and Operating Systems),并被收录于会议论文集第1卷。
研究领域:
该研究属于量子计算(Quantum Computing)领域,聚焦于噪声中等规模量子(NISQ, Noisy Intermediate-Scale Quantum)时代的硬件限制问题。当前量子计算机的物理比特数量有限(如IBM最大设备仅433个量子比特),且存在噪声干扰(如退相干时间短、比特间串扰),导致大规模量子电路(Quantum Circuit)的高保真度运行面临挑战。
研究动机:
现有方案如Wire Cutting(导线切割)、Qubit Reuse(比特重用)和Gate Cutting(门切割)虽能部分缓解问题,但单独使用时效果次优:
1. Wire Cutting通过分割电路为子电路(Subcircuit)降低硬件需求,但后处理开销随切割数指数增长(每切一次需4倍计算量)。
2. Qubit Reuse利用硬件的中途测量与重置(MR, Mid-circuit Measurement and Reset)功能复用闲置比特,但仅适用于局部优化。
3. Gate Cutting虽适用于期望值计算(如哈密顿模拟),但其在电路级优化中的应用尚未充分探索。
研究目标:
提出QRCC框架,首次将Wire Cutting、Gate Cutting与Qubit Reuse集成,通过整数线性规划(ILP, Integer Linear Programming)搜索最优切割方案,实现以下目标:
- 最小化切割数以降低后处理开销;
- 通过比特重用减少子电路所需的物理比特数;
- 在期望值计算场景中,联合利用Gate Cutting进一步优化。
QRCC分为以下核心步骤:
将量子电路转换为带比特重用机会的有向无环图(DAG),通过插入虚拟身份门(Identity Gate)对齐所有比特的操作层,明确每层的潜在切割位置(如图3所示)。与传统DAG不同,QRCC显式区分单比特门与双比特门的切割点,以支持更精细的优化。
将电路切割问题转化为整数线性规划模型,关键变量与约束包括:
- 变量定义:
- 双比特门是否被切割(Wire Cut或Gate Cut);
- 单比特门是否被切割(仅Wire Cut);
- 子电路分配(如式5-8)。
- 约束条件:
- 每个门必须唯一归属子电路(式10);
- 子电路比特数不超过设备容量(式11);
- 切割数上限(式12);
- 相邻门间的切割一致性(式13-14)。
- 目标函数(式18):
最小化后处理开销(权重δ)与计算保真度损失(权重1-δ)的加权和,其中后处理开销线性化为α×(Wire Cut数)+ β×(Gate Cut数)。
如表1所示,QRCC平均减少29%的切割数(QRCC-c)和24%(QRCC-b)。例如:
- QFT(n=30, d=27):CutQC需32次切割,QRCC仅需6次(降低81%)。
- 复杂电路优势:QFT因全连接特性难以切割,而QRCC通过比特重用显著改善;AQFT因连接简化,改进较小。
如表2所示,引入Gate Cutting后:
- 平均切割数:QRCC-c(Wire+Gate)较CutQC降低44%,例如Erdős-Rényi(n=50, d=27)从39次降至23.46次(等效Wire Cut数)。
- 后处理加速:Reg(n=40, d=27)的等效Wire Cut数从21降至16.29,对应685倍后处理速度提升。
在IBM 7-qubit Lagos量子计算机上测试Reg(m=2):
- QRCC(4-qubit子电路):精度达98.3%,优于7-qubit直接运行的22.3%(表3)。
- 原因:子电路的双比特门数从16降至3,减少噪声累积。
(注:因篇幅限制,部分实验细节与公式推导未完全展开,读者可参考原文进一步查阅。)