[論文レビュー] eQASM: An Executable Quantum Instruction Set Architecture

Xiang Fu, Leon Riesebos+14 more|arXiv (Cornell University)|Aug 7, 2018

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 44被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、量子制御マイクロアーキテクチャ上で、条件分岐実行やフィードバックを含む完全な量子プログラムのフローコントロールを可能にする実行可能 Quantum Instruction Set Architecture (QISA) である eQASM を提案する。eQASM は、効率的なタイミング指定、1 操作複数キュービット実行、および非常に長い命令語（VLIW）設計をサポートすることで、QuMIS や他の既存の QISA よりも高いスケーラビリティを実現し、高精度なフィデリティでハードウェア上で直接量子プログラムを実行可能である。Grover の探索アルゴリズムにおいて、2 キュービットの超伝導プロセッサ上で 85.6% のアルゴリズム的フィデリティを達成した。

ABSTRACT

A widely-used quantum programming paradigm comprises of both the data flow and control flow. Existing quantum hardware cannot well support the control flow, significantly limiting the range of quantum software executable on the hardware. By analyzing the constraints in the control microarchitecture, we found that existing quantum assembly languages are either too high-level or too restricted to support comprehensive flow control on the hardware. Also, as observed with the quantum microinstruction set QuMIS, the quantum instruction set architecture (QISA) design may suffer from limited scalability and flexibility because of microarchitectural constraints. It is an open challenge to design a scalable and flexible QISA which provides a comprehensive abstraction of the quantum hardware. In this paper, we propose an executable QISA, called eQASM, that can be translated from quantum assembly language (QASM), supports comprehensive quantum program flow control, and is executed on a quantum control microarchitecture. With efficient timing specification, single-operation-multiple-qubit execution, and a very-long-instruction-word architecture, eQASM presents better scalability than QuMIS. The definition of eQASM focuses on the assembly level to be expressive. Quantum operations are configured at compile time instead of being defined at QISA design time. We instantiate eQASM into a 32-bit instruction set targeting a seven-qubit superconducting quantum processor. We validate our design by performing several experiments on a two-qubit quantum processor.

研究の動機と目的

• 既存の量子アセンブリ言語における包括的な量子プログラムのフローコントロールのためのハードウェア支援の欠如に対処すること。
• 実行時フィードバックと動的制御フローをサポートする、スケーラブルで柔軟な量子命令セットアーキテクチャ（QISA）を設計すること。
• 表現力豊かな低レベル命令セットを定義することで、制御マイクロアーキテクチャ上で量子プログラムを直接実行可能にすること。
• QuMIS や他の既存 QISA の制限を克服し、コンパイル時の設定によりキャリブレーションされていない、または稀な量子操作をサポートすることで、スケーラビリティを向上させること。
• eQASM モデルを、7 キュービットの超伝導プロセッサをターゲットとする 32 ビット命令セットにインスタンス化し、2 キュービットチップ上でテストすることで検証すること。

提案手法

• eQASM はアセンブリレベルで定義され、量子操作とタイミングに対する表現力豊かな制御を提供し、ハードウェアへの直接マッピングを可能にする。
• アーキテクチャは、異なるキュービット上で複数の量子操作を並列実行できる非常に長い命令語（VLIW）設計を採用している。
• 1 操作複数キュービット（SOMQ）実行がサポートされ、処理レートの向上と遅延の低減が実現される。
• タイミングは eQASM で明示的に指定され、コンパイラによるプラットフォーム固有のスケジューリングと最適化が可能になる。
• 量子操作は QISA の設計時ではなく、コンパイル時に設定されるため、キャリブレーションされていない、またはまれな操作のサポートが可能になる。
• eQASM は、7 キュービットの超伝導量子プロセッサをターゲットとする 32 ビット命令セットにインスタンス化され、中央制御装置と UHFQC を備えた量子マイクロアーキテクチャ上で実行された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マイクロアーキテクチャレベルで、条件分岐実行やフィードバックを含む完全な量子プログラムのフローコントロールをサポートできる QISA を設計できるか？
• RQ2 QuMIS や他の既存のマイクロアーキテクチャ設計と比較して、QISA がどのようにより高いスケーラビリティと柔軟性を達成できるか？
• RQ3 QISA における明示的なタイミング指定が、量子実験におけるハードウェアレベルの最適化とフィデリティをどの程度向上できるか？
• RQ4 eQASM は、測定可能なフィデリティを達成できる実際のハードウェア上で、Grover の探索のような複雑な量子アルゴリズムを効率的に実行できるか？
• RQ5 マイクロアーキテクチャを介したフィードバック制御の統合が、量子操作の遅延と信頼性にどのように影響するか？

主な発見

• eQASM は、約 92 ns のフィードバック遅延を実現し、高速な条件分岐実行が可能となり、実行時オーバーヘッドが顕著に低減された。
• 条件分岐フィードバック制御（CFC）は、約 316 ns の遅延で検証され、動的制御フローの実現可能性が示された。
• 2 キュービットの Grover の探索アルゴリズムのフィデリティは、最大尤度推定法を用いた量子トモグラフィーで 85.6% に測定され、主に CZ ゲートの不正確さが主な制限要因であった。
• ゲート間隔を 320 ns から 20 ns に短縮することで、ゲートフィデリティが 0.71% から 0.10% に向上し、正確なタイミング制御の重要性が浮き彫りになった。
• eQASM を用いた制御マイクロアーキテクチャは、効率的な VLIW および SOMQ 実行のおかげで、従来のアプローチと比較して 7 倍の処理速度向上を達成した。
• タイミングと量子意味論の分離により、eQASM プログラムは、他のハードウェアプラットフォーム向けに他の実行可能フォーマットに変換可能であり、意味的正しさを損なわない。