[논문 리뷰] eQASM: An Executable Quantum Instruction Set Architecture

Xiang Fu, Leon Riesebos외 14명|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 07.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 44인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 양자 제어 마이크로아키텍처에서 조건부 실행 및 피드백과 같은 완전한 양자 프로그램 흐름 제어를 가능하게 하는 실행 가능한 양자 명령어 세트 아키텍처(QISA)인 eQASM을 제안한다. 효율적인 타이밍 지정, 단일 연산-다중 큐비트 실행, 그리고 매우 긴 명령어 단어(VLIW) 설계를 지원함으로써, QuMIS와 같은 이전 QISA보다 더 나은 확장성을 달성하며, 높은 정밀도로 직접 하드웨어에서 양자 프로그램을 실행할 수 있다. 이는 2 큐비트 초전도 양자 프로세서에서 검증되었으며, 고버의 검색 알고리즘에서 85.6%의 알고리즘 정밀도를 달성하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존 양자 어셈블리어 언어에서 포괄적인 양자 프로그램 흐름 제어를 위한 하드웨어 지원의 부족을 해결하기 위해.
• 런타임 피드백과 동적 제어 흐름을 지원하는 확장성 있고 유연한 양자 명령어 세트 아키텍처(QISA)를 설계하기 위해.
• 표현력 있는 저수준 명령어 세트를 정의하여 제어 마이크로아키텍처에서 양자 프로그램을 직접 실행할 수 있도록 하기 위해.
• QuMIS와 같은 이전 QISA의 한계를 극복하기 위해 컴파일 시 구성을 통해 校정되지 않은 또는 드문 양자 연산을 지원함으로써 확장성과 성능을 향상시키기 위해.
• 32비트 명령어 세트를 기반으로 7 큐비트 초전도 양자 프로세서를 대상으로 eQASM을 구현하고, 2 큐비트 칩에서 테스트를 수행하여 eQASM 모델을 검증하기 위해.

제안 방법

• eQASM은 하드웨어에 직접 매핑할 수 있도록 어셈블리 수준에서 정의되어 양자 연산과 타이밍에 대한 표현력 있는 제어를 가능하게 한다.
• 다양한 큐비트에서 다중 양자 연산의 동시 실행을 지원하기 위해 매우 긴 명령어 단어(VLIW) 설계를 사용한다.
• 작업률 향상과 지연 감소를 위해 단일 연산-다중 큐비트(SOMQ) 실행을 지원한다.
• 컴파일러가 플랫폼에 맞는 스케줄링과 최적화를 수행할 수 있도록 타이밍을 명시적으로 지정한다.
• 양자 연산은 QISA 설계 시점이 아니라 컴파일 시점에 구성되며, 校정되지 않은 또는 드문 연산의 지원이 가능하다.
• eQASM은 7 큐비트 초전도 양자 프로세서를 대상으로 하는 32비트 명령어 세트로 구현되었으며, 중앙 제어장치와 UHFQC를 갖춘 제어 마이크로아키텍처에서 실행되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 마이크로아키텍처 수준에서 조건부 실행 및 피드백을 포함한 완전한 양자 프로그램 흐름 제어를 지원하는 QISA를 설계할 수 있는가?
• RQ2 QuMIS와 같은 기존 마이크로아키텍처 설계와 비교해 eQASM이 더 나은 확장성과 유연성을 달성하는 방법은 무엇인가?
• RQ3 QISA에서 명시적인 타이밍 지정이 양자 실험에서 하드웨어 수준 최적화와 정밀도 향상에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 eQASM은 실질적인 하드웨어에서 고도로 복잡한 양자 알고리즘인 고버의 검색 알고리즘을 측정 가능한 정밀도로 효율적으로 실행할 수 있는가?
• RQ5 마이크로아키텍처를 통해 피드백 제어를 통합할 경우 양자 연산의 지연과 신뢰성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• eQASM은 약 92 ns의 피드백 지연으로 빠른 조건부 실행을 가능하게 하여 런타임 오버헤드를 크게 감소시켰다.
• 조건부 피드백 제어(CFC)는 약 316 ns의 지연으로 검증되었으며, 동적 제어 흐름의 실현 가능성을 입증하였다.
• 양자 톰ограф리와 최대 우도 추정을 사용하여 2 큐비트 고버의 검색 알고리즘의 정밀도를 측정한 결과 85.6%였으며, 주로 CZ 게이트의 정밀도 부족으로 제한되었다.
• 게이트 간격을 320 ns에서 20 ns로 줄임으로써 게이트 정밀도가 0.71%에서 0.10%로 향상되었으며, 정밀한 타이밍 제어의 중요성을 입증하였다.
• eQASM 기반 제어 마이크로아키텍처는 효율적인 VLIW 및 SOMQ 실행 덕분에 이전 접근 방식 대비 작업률을 7배 향상시켰다.
• 타이밍과 양자 의미론을 분리함으로써 eQASM 프로그램은 다른 하드웨어 플랫폼에 맞는 다른 실행 형식으로 변환되더라도 의미적 정확성을 유지할 수 있다.