[论文解读] A Scalable Microarchitecture for Efficient Instruction-Driven Signal Synthesis and Coherent Qubit Control

Nader Khammassi, Randy Morris+8 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2022

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 4

一句话总结

本文提出了一种可扩展的、指令驱动的量子比特控制微架构，采用自定义指令集架构（ISA）通过直接数字合成（DDS）流水线动态生成纳秒级精确的控制信号。该系统相比传统的任意波形发生器（AWGs），在通道密度、可编程性和成本方面均有提升，在实验验证中实现了对超导量子比特的高效且相干的控制。

ABSTRACT

Execution of quantum algorithms requires a quantum computer architecture with a dedicated quantum instruction set that is capable of supporting translation of workloads into actual quantum operations acting on the qubits. State-of-the-art qubit control setups typically utilize general purpose test instruments such as arbitrary waveform generators (AWGs) to generate a limited set of waveforms or pulses. These waveforms are precomputed and stored prior to execution, and then used to produce control pulses during execution. Besides their prohibitive cost and limited scalability, such instruments suffer from poor programmability due to the absence of an instruction set architecture (ISA). Limited memory for pulse storage ultimately determines the total number of supported quantum operations. In this work, we present a scalable qubit control system that enables efficient qubit control using a flexible ISA to drive a direct digital synthesis (DDS) pipeline producing nanosecond-accurate qubit control signals dynamically. The designed qubit controller provides a higher density of control channels, a scalable design, better programmability, and lower cost compared to state-of-the-art systems. In this work, we discuss the new qubit controller's capabilities, its architecture and instruction set, and present experimental results for coherent qubit control.

研究动机与目标

• 解决现有最先进的量子比特控制系统依赖通用AWG所导致的可编程性差和可扩展性有限的问题。
• 设计一种可扩展、低成本的量子比特控制器，配备专用指令集架构（ISA），用于动态信号生成。
• 通过灵活可编程的信号合成流水线，实现对多个量子比特的高密度、纳秒级精确控制。
• 通过ISA驱动的DDS流水线实现实时脉冲生成，克服预计算波形的存储限制。
• 通过实验验证，展示该微架构在相干量子比特控制方面的有效性。

提出的方法

• 设计一种自定义指令集架构（ISA），将量子算法指令映射为低层控制信号。
• 实现一种直接数字合成（DDS）流水线，基于ISA指令实时生成纳秒级精确的波形。
• 采用可扩展的微架构设计，支持大量独立的量子比特控制通道。
• 将ISA与软硬件栈集成，实现实时、按需的信号合成，无需预存波形。
• 采用可编程控制引擎，解码指令并驱动DDS以实现精确的脉冲整形。
• 采用模块化、可重构的设计，支持未来扩展并集成到大规模量子处理器中。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计一种可扩展且成本效益高的微架构，以替代传统的基于AWG的量子比特控制系统？
• RQ2 自定义指令集架构（ISA）在多大程度上能提升可编程性并减少对预计算波形的依赖？
• RQ3 通过ISA驱动的DDS流水线，能否实现纳秒级精确的信号生成，以支持相干量子比特控制？
• RQ4 在保持低延迟和高精度的前提下，该架构最多可支持多少个控制通道？
• RQ5 与最先进的基于AWG的系统相比，该系统的可扩展性、成本和控制保真度表现如何？

主要发现

• 所提出的微架构相比传统基于AWG的系统，显著提升了量子比特控制通道的密度。
• 通过ISA驱动的DDS流水线，系统实现了纳秒级精确的信号生成，实现了对超导量子比特的精确控制。
• 实验结果证实了相干量子比特控制，Rabi和Ramsey振荡的保真度较高，验证了系统的精度与稳定性。
• 该架构无需预存波形，支持动态、实时的脉冲生成，显著提升了可编程性。
• 与传统AWG解决方案相比，该设计降低了系统成本并提升了可扩展性，适用于大规模量子处理器。
• 基于ISA的方法能够将量子工作负载高效编译为低层控制信号，延迟极低。