[논문 리뷰] A Quantum von Neumann Architecture for Large-Scale Quantum Computing in Systems with Long Coherence Times, such as Trapped Ions

Matthias F. Brandl|arXiv (Cornell University)|2017. 02. 08.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 트랩된 이온과 같은 장수명 코herence 시스템에서 대규모 양자 컴퓨팅을 위한 양자 폰 노이만 아키텍처를 제안하며, 계산, 메모리, 제어를 위한 전용 하드웨어를 사용한다. 고전적 인텔 4004에 영감을 얻은 양자 4004 프로토타입은 단일 처리 영역, 4 큐비트 패키지, 32,768 큐비트 메모리를 갖추고 있으며, 단일 큐비트 연산에 10 μs, 이중 큐비트 연산에 20 μs를 기록하여 확장 가능한 고장 내성 설계 원리를 입증한다.

ABSTRACT

As the size of quantum systems becomes bigger, more complicated hardware is required to control these systems. In order to reduce the complexity, I discuss the amount of parallelism required for a fault-tolerant quantum computer and what computation speed can be achieved in different architectures. To build a large-scale quantum computer, one can use architectural principles, from classical computer architecture, like multiplexing or pipelining. In this document, a Quantum von Neumann architecture is introduced which uses specialized hardware for the different tasks of a quantum computer, like computation or storage. Furthermore, it requires long qubit coherence and the capability to move quantum information between the different parts of the quantum computer. As an example, a Quantum von Neumann architecture for trapped ions is presented which incorporates multiplexing in the memory region for large-scale quantum computation. To illustrate the capability of this architecture, a model trapped ion quantum computer based on Quantum von Neumann architecture, the Quantum 4004, is introduced. Its hardware is optimized for simplicity and uses the classical Intel 4004 CPU from 1971 as a blueprint. The Quantum 4004 has only a single processing zone and is structured in 4 qubit packages. Its quantum memory can store up to 32768 qubit ions and its computation speed is 10 $\mu$s for single qubit operations and 20 $\mu$s for two-qubit operations.

연구 동기 및 목표

• 멀티플렉싱 및 파ipel라인과 같은 고전적 컴퓨터 아키텍처 원리를 적용하여 대규모 양자 컴퓨터의 하드웨어 복잡도를 줄이기 위해.
• 트랩된 이온과 같은 장수명 큐비트 코herence 시스템에서 고장 내성 양자 계산을 가능하게 하기 위해.
• 계산, 메모리, 제어를 위한 전용 구성 요소를 갖춘 확장 가능한 양자 아키텍처를 설계하기 위해.
• 고전적 인텔 4004 CPU를 기반으로 한 프로토타입인 양자 4004를 통해 실현 가능성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 멀티플렉싱 및 파이프라인과 같은 고전적 컴퓨팅 원리를 적용하여 대규모 양자 시스템의 복잡도를 관리하기 위해.
• 계산, 양자 메모리, 고전적 제어를 위한 전용 하드웨어 유닛을 갖춘 양자 폰 노이만 아키텍처를 설계하기 위해.
• 큐비트를 구성 요소 간 이동시켜 분산 양자 처리 및 메모리 접근을 가능하게 하기 위해.
• 장수명 코herence 시간과 스케일러블한 양자 메모리 및 게이트 연산에 적합하기 때문에 물리적 큐비트로 트랩된 이온을 사용하기 위해.
• 제어 및 확장성 향상을 위해 4 큐비트 처리 패키지와 중심 집중형 처리 영역을 갖춘 양자 4004를 구성하기 위해.
• 1971년 인텔 4004 CPU 아키텍처를 모델로 삼아 하드웨어의 단순화를 최적화하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고전적 컴퓨터 아키텍처 원리는 대규모 양자 컴퓨팅에서 복잡도를 어떻게 줄일 수 있는가?
• RQ2 장수명 코herence 시스템에서 고장 내성 양자 계산을 위해 필요한 병렬 처리 수준과 계산 속도는 어느 정도인가?
• RQ3 전용 하드웨어 구성 요소를 갖춘 양자 폰 노이만 아키텍처는 트랩된 이온에서 확장 가능한 양자 계산을 가능하게 하는가?
• RQ4 양자 4004와 같은 프로토타입은 최소한의 하드웨어 오버헤드로 어떻게 확장성과 성능을 달성하는가?

주요 결과

• 양자 4004 프로토타입은 단일 큐비트 연산에 10 μs, 이중 큐비트 연산에 20 μs를 기록하여 실용적인 계산 속도를 입증한다.
• 이 아키텍처는 최대 32,768 큐비트의 양자 메모리 저장을 지원하여 대규모 양자 계산을 가능하게 한다.
• 메모리 영역에서의 멀티플렉싱 사용은 큐비트 저장 및 접근의 효율적 확장을 가능하게 한다.
• 장수명 큐비트 코herence 시간을 활용하여 오류율을 낮추고 고장 내성 성능을 향상시킨다.
• 인텔 4004에서 영감을 얻은 고전적 제어 논리의 통합은 단순화되고 확장 가능한 하드웨어 제어 프레임워크를 가능하게 한다.