[논문 리뷰] Quantum Accelerator Stack: A Research Roadmap

Koen Bertels, Aritra Sarkar외 8명|Lirias (KU Leuven)|2021. 02. 03.

CCD and CMOS Imaging Sensors참고 문헌 44인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 고전적 제어와 양자 처리를 통합한 스택 전체를 아우르는 양자 가속기 아키텍처를 제안하며, 완벽한 큐비트와 응용 프로그램에서 마이크로코드에 이르는 계층적 소프트웨are-하드웨어 파이프라인을 사용한다. 양자 프로그램 컴파일을 위해 OpenQL과 cQASM를 도입하여 시뮬레이션과 향후 실제 장치에의 매핑을 가능하게 하며, 하이브리드 양자-고전적 시스템을 통한 산업적 도입을 위한 로드맵을 제시한다.

ABSTRACT

This paper presents the definition and implementation of a quantum computer architecture to enable creating a new computational device - a quantum computer as an accelerator In this paper, we present explicitly the idea of a quantum accelerator which contains the full stack of the layers of an accelerator. Such a stack starts at the highest level describing the target application of the accelerator. Important to realise is that qubits are defined as perfect qubits, implying they do not decohere and perform good quantum gate operations. The next layer abstracts the quantum logic outlining the algorithm that is to be executed on the quantum accelerator. In our case, the logic is expressed in the universal quantum-classical hybrid computation language developed in the group, called OpenQL. We also have to start thinking about how to verify, validate and test the quantum software such that the compiler generates a correct version of the quantum circuit. The OpenQL compiler translates the program to a common assembly language, called cQASM. We need to develop a quantum operating system that manages all the hardware of the micro-architecture. The layer below the micro-architecture is responsible of the mapping and routing of the qubits on the topology such that the nearest-neighbour-constraint can be be respected. At any moment in the future when we are capable of generating multiple good qubits, the compiler can convert the cQASM to generate the eQASM, which is executable on a particular experimental device incorporating the platform-specific parameters. This way, we are able to distinguish clearly the experimental research towards better qubits, and the industrial and societal applications that need to be developed and executed on a quantum device.

연구 동기 및 목표

• 산업 및 과학적 용도로 고전적 제어와 양자 처리를 통합한 완전한 양자 가속기 스택을 정의하기.
• 응용 프로그램 개발자가 하드웨어 복잡성을 추상화하고 OpenQL과 같은 고수준 언어를 사용해 양자 논리를 중심으로 집중할 수 있도록 지원하기.
• 확장 가능한 개발을 위해 이상화된(완벽한 큐비트)과 현실적인(NISQ) 양자 컴퓨팅 연구 간 명확한 분리 구조를 수립하기.
• 향후 양자 시뮬레이터와 하드웨어에 배포 가능한 실행 가능한 마이크로코드로의 양자 프로그램 컴파일 파이프라인 개발하기.
• 하드웨어 제약 조건 하에서 큐비트 라우팅, 매핑, 게이트 실행을 관리하는 양자 운영 체제 및 마이크로아키텍처 레이어 제안하기.

제안 방법

• 다섯 단계의 양자 가속기 스택 정의: 응용 프로그램 레이어, 양자 논리 레이어(OpenQL 사용), 컴파일러 레이어(cQASM로 번역), 마이크로아키텍처 레이어, 물리적 큐비트 매핑 레이어.
• 양자 알고리즘 표현과 컴파일 이전 정당성 검증을 위해 OpenQL을 고전-양자 하이브리드 프로그래밍 언어로 사용하기.
• OpenQL 프로그램을 양자 회로용 공통 어셈블리어인 cQASM로 번역하여 시뮬레이터에서 실행 가능하게 하기.
• 가까운 이웃 제약 조건 하에서 큐비트 연결성을 관리하고 게이트 수준 실행을 지원하는 마이크로아키텍처 레이어 설계하기.
• 향후 cQASM에서 eQASM로의 전환 경로 제안 — 실험용 장치에 맞는 플랫폼 전용 매개변수 포함.
• 큐비트 초기화, 오류 보정, 스택 전반의 하드웨어 자원 할당을 관리하는 양자 운영 체제 제안하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이상화된 양자 컴퓨팅과 현실 세계 양자 컴퓨팅 연구를 모두 지원할 수 있는 전면적 양자 가속기 아키텍처는 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ2 OpenQL과 같은 고수준 양자 프로그래밍 언어는 양자 소프트웨어의 검증과 이식 가능성을 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ3 컴파일러 파이프라인은 양자 알고리즘을 시뮬레이션 및 향후 하드웨어 구현을 위해 실행 가능한 마이크로코드로 어떻게 변환할 수 있는가?
• RQ4 근처 이웃 상호작용과 같은 물리적 제약 조건 하에서 큐비트 매핑, 라우팅, 게이트 실행을 관리하기 위해 필요한 주요 아키텍처 구성 요소는 무엇인가?
• RQ5 완벽한 큐비트에서 현실적인 노이즈 큐비트로의 전환은 어떻게 구성되어야 하며, 이는 학술 연구와 산업 응용 개발을 모두 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 양자 가속기 스택은 응용 논리(OpenQL 사용)와 저수준 하드웨어 제어 간 명확한 분리를 가능하게 하여 이식성과 검증성 향상.
• cQASM은 양자 프로그램의 표준화된 중간 표현으로서 시뮬레이터에서 실행하고 향후 실제 장치에 매핑할 수 있도록 허용.
• 제안된 스택은 향후 cQASM에서 eQASM로의 이행 경로를 지원하며, 실험 플랫폼에 맞는 기기 전용 매개변수를 포함.
• 초기 개발 단계에서 완벽한 큐비트를 사용함으로써 연구자들이 하드웨어 노이즈의 제약 없이 알고리즘 정당성과 성능에 집중할 수 있음.
• 로드맵은 세 단계로 구성: 응용 반영(단계 I), OpenQL 및 QBeeSim에서의 논리 프로토타이핑(단계 II), 하드웨어 구현(단계 III), TRL 8을 핵심 목표로 삼음.
• 공동 처리 모델을 통한 고전적 제어와 양자 처리의 통합은 암다울의 법칙과 부합하며 전용 가속을 통해 성능 향상을 가능하게 함.