[論文レビュー] Hybrid Oscillator-Qubit Quantum Processors: Instruction Set Architectures, Abstract Machine Models, and Applications

Yuan Liu, Shraddha Singh+12 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2024

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、ハイブリッド連続変数（CV）と離散変数（DV）量子プロセッサ用の抽象的機械モデルと命令セットアーキテクチャを提示し、表現、ゲート、コンパイル方法、および量子シミュレーションと誤り訂正への適用を詳述する。

ABSTRACT

Quantum computing with discrete variable (DV, qubit) hardware is approaching the large scales necessary for computations beyond the reach of classical computers. However, important use cases such as quantum simulations of physical models containing bosonic modes, and quantum error correction are challenging for DV-only systems. Separately, hardware containing native continuous-variable (CV, oscillator) systems has received attention as an alternative approach, yet the universal control of such systems is non-trivial. In this work, we show that hybrid CV-DV hardware offers a great advantage in meeting these challenges, offering a powerful computational paradigm that inherits the strengths of both DV and CV processors. We provide a pedagogical introduction to CV-DV systems and the multiple abstraction layers needed to produce a full software stack connecting applications to hardware. We present a variety of new hybrid CV-DV compilation techniques, algorithms, and applications, including the extension of quantum signal processing concepts to CV-DV systems and strategies to simulate systems of interacting spins, fermions, and bosons. To facilitate the development of hybrid CV-DV processor systems, we introduce formal Abstract Machine Models and Instruction Set Architectures -- essential abstractions that enable developers to formulate applications, compile algorithms, and explore the potential of current and future hardware for realizing fault-tolerant circuits, modules, and processors. Hybrid CV-DV quantum computations are beginning to be performed in superconducting, trapped ion, and neutral atom platforms, and large-scale experiments are set to be demonstrated in the near future. We present a timely and comprehensive guide to this relatively unexplored yet promising approach to quantum computation and providing an architectural backbone to guide future development.

研究の動機と目的

• CVとDVの量子リソースの利点を組み合わせるためのハイブリッド発振器-量子ビットハードウェアの必要性を動機づけ、形式化する。
• ハイブリッドCV-DVプロセッサの抽象機械モデル（AMM）と普遍的な命令セットアーキテクチャ（ISA）を定義する。
• ハイブリッドISAへアルゴリズムをマッピングするためのコンパイルおよびトランスパイル技術を開発・分析する。
• 量子シミュレーション、状態と過程トモグラフィー、およびボソン量子誤り訂正への応用を探る。
• 故障耐性量子計算を前進させるソフトウェア/ハードウェア共設計のロードマップを提供する。

提案手法

• ボソニック状態とハイブリッド表現（振動子と量子ビット）の教育的基礎を導入する。
• ガウス（Clifford様）から非ガウスおよびハイブリッドゲートへの階層的ゲートセットを提示する。
• Gaussian、Cubic、Phase-Space、Fock-Space、Sideband の複数のISAと異なるハードウェア特性を露出する3つのAMMを提案する。
• 抽象機械モデルとその資源推定およびプログラミングへの影響を説明する。
• ハイブリッド系の量子信号処理拡張を含む正確・近似的なコンパイル戦略を概説する。
• ボソニック量子誤り訂正とそれをコンパイルと制御に統合する方法を論じる。

Figure 1: Schematic illustration of hybrid CV-DV hardware and its abstraction. (a) Left panel: A hybrid CV-DV quantum processor composed of superconducting microwave resonators dispersively coupled to individual superconducting qubits. Adjacent microwave resonators are coupled via microwave-controll

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハイブリッドCV-DV量子プロセッサの抽象機械モデルをどのように定義し、計算と故障耐性の形式的推論を可能にするか。
• RQ2 オシレーター-量子ビット系を実用的かつスケーラブルに制御できる普遍的な命令セットは何か。
• RQ3 ボソニック誤り訂正プロトコルを含む、ハイブリッドISAへ回路とサブルーチンをどのように効率的にコンパイルできるか。
• RQ4 量子シミュレーションと関連タスクにおけるハイブリッドCV-DVハードウェアの最も有望な応用は何か。
• RQ5 異なるAMMが資源推定とソフトウェアスタック設計にどのような影響を与えるか。

主な発見

• ハイブリッドCV-DVハードウェアはボソニック系の量子シミュレーションおよびボソニック量子誤り訂正に利点を提供する。
• 3つの抽象機械モデルはソフトウェアスタックに対してハイブリッドハードウェアの異なる側面を露出し、柔軟なコンパイル経路を可能にする。
• 複数のISA（Gaussian、Cubic、Phase-Space、Fock-Space、Sideband）はハードウェア効率的なマッピングで普遍的な制御を可能にする。
• ハイブリッドCV-DV系への量子信号処理の拡張により、エンタングリングゲートとボソニックQECの正確・近似的コンパイル経路が提供される。
• ボソニックモードはハードウェア効率の高い表現を提供し、ボソニックまたは格子ゲージ理論のシミュレーション時にキュービットのオーバーヘッドを削減できる。
• 本研究は、故障耐性量子計算とシミュレーションのハードウェア・コンパイラ・アプリケーションの共同設計の形式的骨格とツールを提供する。

Figure 2: A reading guide for this work based on particular subtopics. We note that the indicated recommended sections and subsections are non-exhaustive, but are intended to give a rough outline of possible trajectories in reading this work.