[论文解读] A Quantum von Neumann Architecture for Large-Scale Quantum Computing in Systems with Long Coherence Times, such as Trapped Ions

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

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 2

一句话总结

本文提出了一种用于长相干时间系统（如离子阱）大规模量子计算的量子冯·诺依曼架构，采用专用硬件实现计算、存储和控制功能。受经典英特尔4004启发，量子4004原型机配备单个处理区域、4量子比特模块和32,768量子比特内存，实现10 μs的单量子比特操作和20 μs的两量子比特操作，展示了可扩展容错设计原则。

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 $\mu$s for single qubit operations and 20 $\mu$s for two-qubit operations.

研究动机与目标

• 通过应用多路复用和流水线等经典计算机架构原则，降低大规模量子计算机的硬件复杂度。
• 在具有长量子比特相干时间的系统（如离子阱）中实现容错量子计算。
• 设计一种具备计算、存储和控制专用组件的可扩展量子架构。
• 通过基于经典英特尔4004 CPU的原型机——量子4004，验证其可行性。

提出的方法

• 采用经典计算中的架构原则（如多路复用和流水线）来管理大规模量子系统的复杂性。
• 设计一种量子冯·诺依曼架构，配备专用硬件单元用于计算、量子存储和经典控制。
• 通过在组件间移动量子比特，实现分布式量子处理和存储访问。
• 选用离子作为物理量子比特，因其具有长相干时间，且适用于可扩展的量子存储和门操作。
• 将量子4004结构化为4量子比特处理模块和集中式处理区域，以简化控制与扩展。
• 通过以1971年英特尔4004 CPU架构为蓝本，优化硬件设计以实现简洁性。

实验结果

研究问题

• RQ1 经典计算机架构原则如何被调整以降低大规模量子计算的复杂性？
• RQ2 在长相干时间系统中，容错量子计算所需的并行度和计算速度达到何种水平？
• RQ3 具备专用硬件组件的量子冯·诺依曼架构能否在离子阱中实现可扩展的量子计算？
• RQ4 像量子4004这样的原型机如何在最小硬件开销下实现可扩展性和高性能？

主要发现

• 量子4004原型机实现10 μs的单量子比特操作和20 μs的两量子比特操作，展示了实际可用的计算速度。
• 该架构支持高达32,768个量子比特的量子内存，支持大规模量子计算。
• 内存区域采用多路复用技术，可高效扩展量子比特存储与访问能力。
• 该设计利用长量子比特相干时间，降低错误率并提升容错能力。
• 借鉴英特尔4004的经典控制逻辑，实现简化且可扩展的硬件控制框架。