Benchmarking simulated and physical quantum processing units using quantum and hybrid algorithms

要約

強力なハードウェア サービスとソフトウェア ライブラリは、量子アルゴリズムを迅速かつ手頃な価格で設計、テスト、実行するための重要なツールです。
これらのプラットフォームのパフォーマンスが量子ビットの数に応じてどのように拡張されるかについての堅牢な大規模研究は、業界の困難な問題に量子ソリューションを提供する鍵となります。
この研究では、特殊な高性能シミュレートおよび物理量子処理ユニットの代表的なサンプルの実行時間と精度をベンチマークします。
結果は、QMware シミュレーターは、27 量子ビット未満のアルゴリズムの次に速いオプションと比較して、量子回路の実行時間を最大 78% 短縮できることを示しています。
AWS SV1 シミュレーターは、SV1 で利用可能な最大 34 量子ビットまでの大規模な回路に対して実行時の利点を提供します。
この制限を超えると、QMware は最大 40 量子ビットの回路を実行できます。
Rigetti の Aspen-M2 などの物理量子デバイスは、30 量子ビットを超える回路に飛躍的な実行時間の利点をもたらします。
しかし、物理量子処理装置の高い経済的コストが実用化への重大な障壁となっています。
さらに、4 量子ビットを超える高忠実度を達成できるのは IonQ の Harmony 量子デバイスだけです。
この研究は、実用的な量子アルゴリズムを実行するために利用可能なソフトウェアとハ​​ードウェアの最適な組み合わせを理解するための道を開きます。

要約(オリジナル)

Powerful hardware services and software libraries are vital tools for quickly and affordably designing, testing, and executing quantum algorithms. A robust large-scale study of how the performance of these platforms scales with the number of qubits is key to providing quantum solutions to challenging industry problems. This work benchmarks the runtime and accuracy for a representative sample of specialized high-performance simulated and physical quantum processing units. Results show the QMware simulator can reduce the runtime for executing a quantum circuit by up to 78% compared to the next fastest option for algorithms with fewer than 27 qubits. The AWS SV1 simulator offers a runtime advantage for larger circuits, up to the maximum 34 qubits available with SV1. Beyond this limit, QMware can execute circuits as large as 40 qubits. Physical quantum devices, such as Rigetti’s Aspen-M2, can provide an exponential runtime advantage for circuits with more than 30 qubits. However, the high financial cost of physical quantum processing units presents a serious barrier to practical use. Moreover, only IonQ’s Harmony quantum device achieves high fidelity with more than four qubits. This study paves the way to understanding the optimal combination of available software and hardware for executing practical quantum algorithms.

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