[論文レビュー] Quantum Accelerator Stack: A Research Roadmap

Koen Bertels, Aritra Sarkar+8 more|Lirias (KU Leuven)|Feb 3, 2021

CCD and CMOS Imaging Sensors参考文献 44被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、古典的制御と量子処理を統合したスタック型量子アクセラレータアーキテクチャを提案し、完璧な量子ビットと、アプリケーションからマイクロコードまでの階層的ソフトウェア・ハードウェアパイプラインを用いる。OpenQL と cQASM を用いた量子プログラムコンパイルを導入し、シミュレーションと将来の実デバイスへのマッピングを可能にし、ハイブリッド量子古典コンピューティングを介した産業的採用のロードマップを提示する。

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.

研究の動機と目的

• 産業的および科学的用途を想定した、古典的制御と量子処理を統合した包括的な量子アクセラレータスタックを定義すること。
• アプリケーション開発者が OpenQL などの高水準言語を用いて量子論理に集中できるようにし、ハードウェアの複雑さを抽象化すること。
• スケーラブルな開発を可能にするために、理想化された（完璧な量子ビット）と現実的な（NISQ）量子コンピューティング研究の明確な分離を確立すること。
• 将来の量子シミュレータおよびハードウェアに向けた実行可能なマイクロコードへと量子プログラムを変換するコンパイラパイプラインを開発すること。
• 量子ビットのルーティング、マッピング、ゲート実行をハードウェア制約の下で管理する量子オペレーティングシステムおよびマイクロアーキテクチャレイヤーを提言すること。

提案手法

• 5層構造の量子アクセラレータスタックの定義：アプリケーションレイヤー、量子論理レイヤー（OpenQL を使用）、コンパイラレイヤー（cQASM に変換）、マイクロアーキテクチャレイヤー、物理的量子ビットマッピングレイヤー。
• OpenQL を、量子アルゴリズムの表現とコンパイル前の正しさの検証を可能にする、汎用的な量子古典ハイブリッドプログラミング言語として使用する。
• OpenQL プログラムを、量子回路用の共通アセンブリ言語である cQASM に変換し、シミュレータで実行可能にする。
• 近隣相互作用制約下での量子ビット接続性を管理し、ゲートレベル実行をサポートするマイクロアーキテクチャレイヤーの設計。
• 将来的な cQASM から eQASM への移行パスを提案し、実験的デバイスに特化したパラメータを含む。
• 量子ビットの初期化、エラー低減、スタック全体におけるハードウェアリソース割り当てを管理する量子オペレーティングシステムの提言。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 理想化された量子コンピューティングと現実世界の量子コンピューティング研究の両方を支援できるスタック型量子アクセラレータアーキテクチャをどのように設計できるか？
• RQ2 OpenQL のような高水準量子プログラミング言語が、量子ソフトウェアの検証と移植性をどのように向上させるか？
• RQ3 コンパイラパイプラインは、シミュレーションと将来的なハードウェアデプロイメントの両方を想定して、量子アルゴリズムを実行可能なマイクロコードにどのように変換するか？
• RQ4 近隣相互作用などの物理的制約下で、量子ビットのマッピング、ルーティング、ゲート実行を管理するために必要な主なアーキテクチャコンポーネントは何か？
• RQ5 完璧な量子ビットから現実的でノイズのある量子ビットへの移行を、学術的リサーチと産業的アプリケーション開発の両方を支援する形でどのように構造化できるか？

主な発見

• 量子アクセラレータスタックにより、アプリケーション論理（OpenQL を使用）と低レベルのハードウェア制御との明確な分離が実現され、移植性と検証性が向上する。
• cQASM は、量子プログラムの標準化された中間表現として機能し、シミュレータでの実行と将来の実デバイスへのマッピングを可能にする。
• 提案されたスタックは、将来的な cQASM から eQASM への移行パスをサポートしており、実験的プラットフォームに特化したパラメータを含む。
• 初期段階での完璧な量子ビットの使用により、研究者がハードウェアのノイズに縛られることなく、アルゴリズムの正しさとパフォーマンスに集中できる。
• ロードマップは3段階に分かれており、第1段階（応用の再帰的反映）、第2段階（OpenQL と QBeeSim を用いた論理プロトタイピング）、第3段階（ハードウェア実装）であり、TRL 8 が重要なマイルストーンである。
• コプロセッサモデルによる古典的制御と量子処理の統合は、アムダールの法則に整合し、専用アクセラレーションによってパフォーマンス向上を実現する。