[논문 리뷰] Programming the full stack of an open-access quantum computer

Virginia Frey, Richard Rademacher외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 11.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 26인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 트랩된 이온 양자 컴퓨터를 위한 통합 스택 양자 프로그래밍 언어인 Quala를 소개한다. Quala 는 고수준 회로 추상화, 저수준 아날로그 제어, FPGA 수준의 하드웨어 명령어를 통합하여, 특히 원격 액세스 플랫폼인 QuantumION과 같은 환경에서 양자 프로그램 컴파일 및 하드웨어 실행 전 과정의 투명성을 제공한다. 디지털 게이트, 펄스 웨이브폼, 실시간 결정 논리, 캘리브레이션 인식 기반 기호 대수를 원활하게 통합함으로써, Quala 는 양자 프로그램의 컴파일과 실행 전 과정에서 투명성을 확보한다.

ABSTRACT

We present a new quantum programming language called "Quala" that enables true full-stack programming of quantum hardware. Quala allows seamless integration of abstraction layers such as the digital circuit layer and the analog control pulse waveform layer. Additionally, the language supports user-issued low-level hardware instructions like FPGA actions. Mid-circuit measurements and branching decision logic support real-time, adaptive programs. This flexibility allows users to write code for everything from quantum error correction to analog quantum simulation. The combination of a user-facing calibration database and a powerful symbolic algebra framework provides users with an unprecedented level of expressiveness and transparency. We display the salient characteristics of the language structure and describe how the accompanying compiler can translate programs written in any abstraction layer into precisely timed hardware commands. We intend for this language to bridge the gap between circuit-level programming and physical operations on real hardware while maintaining full transparency in each level of the stack. This eliminates the need for "behind-the-scenes" compilation and provides users with insights into the day-to-day calibration routines.

연구 동기 및 목표

• 현재의 양자 프로그래밍 언어에서의 통합 스택 투명성 부족 문제, 특히 원격 액세스 양자 하드웨어에 대해 해결한다.
• 트랩된 이온 시스템에서 고수준 양자 회로와 저수준 아날로그 펄스 제어 사이의 의미적 격차를 해소한다.
• 사용자가 회로, 펄스, 하드웨어 계층의 모든 추상화 수준에서 프로그램을 작성, 컴파일, 디버깅할 수 있도록 하며, 투명한 컴파일 없이도 가능하게 한다.
• 중회로 측정과 조건부 논리를 통한 실시간 적응형 프로그래밍을 지원함으로써, 양자 오류 수정 및 아날로그 시뮬레이션에 필수적인 기능을 제공한다.
• 사용자 접근이 가능한 캘리브레이션 데이터베이스와 기호 대수 프레임워크를 통합하여 표현력과 재현 가능성을 향상시킨다.

제안 방법

• 회로 수준 게이트, 아날로그 펄스 웨이브폼, 저수준 FPGA 제어 명령어를 네이티브로 지원하는 도메인 특화 언어로서 Quala 를 설계한다.
• 어느 계층에서 작성된 프로그램이라도 정밀하게 타이밍이 조절된 하드웨어 명령어로 번역하는 컴파일러를 구현하며, 계층 간 의미의 충실도를 유지한다.
• 상대적 또는 절대적 타이밍으로 작업을 순서화할 수 있도록 Event 와 Segment 구조를 도입하여 복잡한 실험 워크플로우를 가능하게 한다.
• 런타임 결정 논리에 의해 조건부 실행과 중회로 측정을 통합함으로써, 적응형 양자 프로그램을 허용한다.
• 특정 하드웨어에 맞는 루틴(예: 도플러 냉각, 사이드밴드 냉각)과 재사용 가능한 게이트 정의를 포함한 표준 라이브러리를 제공하여 고수준 프로그래밍을 간소화한다.
• 기호 대수와 캘리브레이션 데이터베이스를 사용하여 하드웨어 튜닝 파라미터를 노출하고 관리함으로써 투명성과 재현 가능성을 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 한 개의 일관된 프레임워크 안에서 양자 프로그래밍 언어가 회로 수준 프로그래밍과 저수준 아날로그 제어 및 FPGA 수준 하드웨어 제어를 통합할 수 있는가?
• RQ2 원격 액세스 양자 하드웨어에서 특히 중요한 양자 프로그램 컴파일 및 실행의 통합 스택 투명성을 가능하게 하는 설계 원칙은 무엇인가?
• RQ3 실시간 결정 논리와 중회로 측정이 고수준 양자 언어에서 네이티브로 지원될 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ4 기호 대수 프레임워크와 캘리브레이션 데이터베이스는 양자 프로그래밍의 표현력과 재현 가능성에 얼마나 기여할 수 있는가?
• RQ5 다양한 트랩된 이온 및 FPGA 제어 양자 하드웨어 플랫폼 간 이식 가능성을 확보하기 위해 충분한 일반성을 갖춘 통합 스택 언어를 설계할 수 있는가?

주요 결과

• Quala 는 단일 언어 내에서 회로 수준 게이트, 아날로그 펄스 웨이브폼, FPGA 수준 제어 명령어를 통합함으로써, 투명한 컴파일러 계층이 필요 없이 통합 스택 프로그래밍을 성공적으로 구현하였다.
• 언어는 중회로 측정과 조건부 실행을 지원하여, 양자 오류 수정 및 아날로그 시뮬레이션에 필수적인 실시간 적응형 프로그램을 가능하게 하였다.
• 컴파일러는 어느 추상화 수준에서 작성된 프로그램이라도 정밀하게 타이밍이 조절된 하드웨어 명령어로 번역하여, 고수준 코드에서 물리적 하드웨어 동작까지의 종단 간 추적 가능성을 보장하였다.
• 사용자 접근이 가능한 캘리브레이션 데이터베이스와 기호 대수 프레임워크 통합으로 사용자가 캘리브레이션 루틴을 검토하고 수정할 수 있게 되어 투명성과 재현 가능성이 향상되었다.
• 완전한 실험 프rotocol(도플러 냉각, 사이드밴드 냉각, 글로벌 로테이션, 이징 상호작용, 측정 포함)이 Quala 를 사용하여 성공적으로 인코딩되고 실행되어 통합 스택 기능을 입증하였다.
• 언어 설계는 트랩된 이온 시스템을 초월해 다른 FPGA 제어 양자 하드웨어 플랫폼으로도 확장 가능하여 보다 넓은 이식성과 커뮤니티 수용 가능성을 확보하였다.