[论文解读] A Quantum von Neumann Architecture for Large-Scale Quantum Computing

Matthias F. Brandl|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2017

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 113被引用 21

一句话总结

本文提出一种用于大规模容错量子计算的量子冯·诺依曼架构，针对离子阱系统建模，配备专用硬件用于计算、存储和量子信息传输。提出量子4004——一种基于经典CPU原理的可扩展、简化的架构设计，实现10 μs单量子比特门和20 μs双量子比特门操作，通过多路复用离子阱最多可存储32,768个量子比特离子，支持流水线操作。

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 $μ$s for single qubit operations and 20 $μ$s for two-qubit operations.

研究动机与目标

• 通过应用模块化、流水线化和多路复用等经典计算机架构原理，应对大规模量子系统控制复杂度日益增长的问题。
• 降低大规模量子计算机中的经典控制开销，特别是低温系统中每个量子比特控制线带来的热负荷和布线负担。
• 通过利用量子误差纠正中的空闲时间并借助专用存储和处理区域实现操作串行化，实现容错量子计算。
• 设计一种可扩展、模块化的离子阱架构，支持长相干时间，并实现组件间高效量子信息传输。
• 通过以英特尔4004为蓝图，实现经典控制逻辑与量子硬件组织的统一，展示具体设计——量子4004的可行性。

提出的方法

• 采用冯·诺依曼模型，将量子内存、处理和控制逻辑分离为独立的硬件区域，以降低复杂度。
• 在量子内存区域通过离子阱阵列实现多路复用，利用空间排列的离子链将最多32,768个量子比特存储在系统中。
• 通过量子操作的流水线化实现计算串行化，减少实时控制需求，从而支持更长的相干时间。
• 通过靠近阱区的FPGA和DAC实现经典控制，利用存储在RAM中的电压斜坡波形，以最小化通信带宽，并实现高速、低噪声的信号生成。
• 设计低温兼容的DAC单元和模拟开关，将其置于阱区附近，以减少寄生电容负载和低温恒温器的热负荷。
• 通过优化阱结构几何——如在直流电极下方设置接地平面并减小寄生电容（C′_seg）——提高射频稳定性，降低平面离子阱中的串扰。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何将经典计算机架构原理（如流水线化、多路复用和模块化）适配于大规模量子计算机，以降低控制复杂度？
• RQ2 何种架构设计可实现高效量子信息传输与存储，同时最小化低温系统中的热负荷和布线开销？
• RQ3 能否通过利用量子误差纠正中的空闲时间，实现对实时控制需求更低的容错量子计算机？
• RQ4 使用集中式处理区域和分布式多路复用离子存储的内存架构，离子阱量子计算机的可扩展性实际极限是什么？
• RQ5 如何通过基于FPGA的DAC系统（配备片上RAM和低温兼容组件）实现高速（100+ MSamples/s）、低噪声的离子阱电压控制，同时最小化互连？

主要发现

• 所提出的量子冯·诺依曼架构将计算、内存和控制分离为独立的功能单元，在大规模量子系统中显著降低了经典控制的复杂度。
• 量子4004设计实现了10 μs的单量子比特门操作和20 μs的双量子比特门操作，展示了适用于容错量子算法的实际计算速度。
• 多路复用离子存储使系统能够将最多32,768个量子比特离子存储在4量子比特单元包中，支持具有可扩展内存架构的大规模量子计算。
• 量子操作的流水线化实现了计算的串行化，减少了对所有量子比特同时控制的需求，从而降低了低温环境中的热负荷和布线负担。
• 通过在直流电极下方设置接地平面优化阱结构，减小了寄生电容，提高了射频稳定性，实现了低串扰的可靠运行。
• 基于FPGA的DAC系统结合片上RAM和低温兼容组件，实现了高速（100+ MSamples/s）、低噪声的电压控制，且互连最少，量化噪声被滤除至100 MHz以上。