Quantum Circuit Knitting An Overview of Existing Quantum Circuit Knitting Methods

No Thumbnail Available
Files
Nivala_Joonas_2024.pdf (629.74 KB)
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Perustieteiden korkeakoulu | Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.
Date
2024-04-26
Department
Major/Subject
Quantum Technology
Mcode
SCI3103
Degree programme
Aalto Bachelor’s Programme in Science and Technology
Language
en
Pages
60
Series
Abstract
Quantum computing has demonstrated the potential for exponential and quadratic speedups over classical computation methods through algorithms like Shor’s and Grover’s. However, the scaling and improvement of present-day noisy intermediate-scale quantum (NISQ) devices pose significant challenges. While practical quantum computers capable of solving real-world problems are still possibly years or even decades away, researchers have recently started to explore the concept of "circuit knitting" to leverage close-term NISQ devices efficiently. This involves breaking down quantum circuits into smaller, locally operable pieces, for which results can then be reassembled with classical post-processing. Various methods for circuit knitting haurthermore, the usability of cirve been proposed, including those without classical communication utilising quasi-probability decompositions and those with classical communication employing quantum state teleportation and special entangled states. This paper conducts a comprehensive state-of-the-art literature review of existing circuit knitting methods and aims to provide insights into the current state of circuit knitting methods and their potential for future quantum computing endeavours. The review encompasses discussing the advantages, disadvantages, and potential applications of circuit knitting. It covers techniques both with and without classical communication, assessing their respective drawbacks and potentials. The paper also explores currently existing implementations of these methods. However, while circuit knitting shows promise for enhancing quantum computation, its practical applications on NISQ devices remain limited. Despite of this, this paper demonstrates the viability of utilising circuit knitting methods on the Quantum Approximate Optimisation Algorithm (QAOA) through classical simulation. Fcuit knitting methods still depends on the improvement of quantum hardware. So while the simulation results provided here are extremely encouraging it is important to note that even with circuit knitting methods larger algorithms face challenges on real hardware due to noise and gate errors. Methods relying on quantum teleportation additionally require reliable quantum memory, which is, for the time being, practically non-existent. Despite these challenges, circuit knitting offers a potential pathway for leveraging existing quantum resources more effectively and could play a crucial role in advancing practical quantum computing applications.

Kvanttilaskenta on osoittanut pystyvänsä eksponentiaalisiin ja neliöllisiin parannuksiin laskentanopeuksissa verrattuna klassisiin laskentamenetelmiin. Esimerkkejä algoritmeista, jotka saavuttavat tällaisia parannuksia ovat muun muassa kuuluisat Shorin ja Groverin algoritmit. Nykyisten meluisten keskikokoisten kvantti (noisy intermediate-scale quantum, NISQ) -laitteiden skaalaus ja kehittäminen pidemmälle asettavat kuitenkin merkittäviä haasteita. Vaikka käytännölliset kvanttitietokoneet, jotka pystyvät ratkaisemaan todellisia ongelmia, ovat todennäköisesti vielä vuosien tai vuosikymmenien päässä, on paljon tutkimusta kohdistettu lähivuosina niin sanottuun piirineulontaan. Piirineulonta voisi mahdollistaa lähitulevaisuuden NISQ-laitteiden käyttämisen oikeasti hyödyllisten ongelmien ratkomiseen. Piirineulonta on kattotermi menetelmille, joilla pyritään kvanttipiirien hajottamista pienempiin, paikallisesti suoritettaviin osiin, joiden tulokset voidaan ajamisen jälkeen koota uudelleen klassista jälkikäsittelyä käyttäen. Piirineulontaan on ehdotettu useita erilaisia menetelmiä, mutta vaikka menetelmiä on olemassa monia, pohjautuvat ne kaikki perimmiltään kvasitodennäköisyyssimulointiin. Kvasitodennäköisyyssimulaatiopiirineulonnan variaatioita ovat esimerkiksi piirineulontamenetelmät, joissa hyödynnetään klassista viestintää. Tämä puolestaan sallii kvanttitilateleportaation ja kietoutuneiden tilojen käyttämisen kvasitodennäköisyyshajamien lisäksi. Tämä kanditaatintyö suorittaa kirjallisuustutkimuksen olemassa oleviin piirineulontamenetelmiin ja niiden nykytilaan, etuihin, haittoihin sekä mahdollisiin sovelluksiin. Työn tarkoituksena on analysoida piirineulontamenetelmien nykytilaa ja niiden mahdollisuuksia tulevissa kvanttilaskennan sovelluksissa. Työ kattaa sekä klassista viestintää käyttävät menetelmät että menetelmät, jotka eivät sitäkäytä. Työssä osoitetaan myös simuloimalla, kuinka piirineulontaa voidaan hyödyntää oikeasti relevanttien ongelmien ratkomiseen kvanttiarviointialgoritmin (quantum approximate optimisation algorithm, QAOA) avulla. Vaikka tässä työssä esitetyt QAOA:n kokeelliset tulokset ovat erittäin lupaavia simulaatiossa, ne väistämättä kohtaavat haasteita todellisessa laitteistossa melun ja porttivirheiden vuoksi. Tästä syystä piirineulonnan käytännön sovellukset NISQ-laitteissa ovat edelleen rajallisia. Tästä huolimatta piirineulonta on lupaava menetelmä hyödyllisen kvanttilaskennan tuomiseen lähitulevaisuuteen. Vaikka piirineulontamenetelmien on osoitettu toimivan, kärsivät ne silti NISQlaitteiden ongelmista, kuten porttivirheiden suuruudesta ja lyhyistä koherenssiajoista. Kvanttiteleportaatioon perustuvat menetelmät vaativat lisäksi luotettavan kvanttimuistin, joka tällä hetkellä yksinkertaisesti puuttuu. Näistä haasteista huolimatta piirineulonta tarjoaa potentiaalisen tavan hyödyntää olemassa olevia kvanttiresursseja tehokkaammin, ja sillä voi olla ratkaiseva rooli käytännön kvanttilaskentasovellusten edistämisessä.
Description
Supervisor
Raasakka, Matti
Thesis advisor
Raasakka, Matti
Keywords
52, quantum computing, quantum, quantum circuit, circuit knitting, qaoa
Other note
Citation