[论文解读] Distributed Quantum Computing: a Survey

Marcello Caleffi, Michele Amoretti+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2022

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 32

一句话总结

这一综述从四个视角——算法、网络、编译与仿真，分析分布式量子计算（DQC），辨识通过互联量子设备扩展量子处理器所面临的关键挑战、技术手段与待解决的问题。

ABSTRACT

Nowadays, quantum computing has reached the engineering phase, with fully-functional quantum processors integrating hundred of noisy qubits available. Yet -- to fully unveil the potential of quantum computing out of the labs and into business reality -- the challenge ahead is to substantially scale the qubit number, reaching orders of magnitude exceeding the thousands (if not millions) of noise-free qubits. To this aim, there exists a broad consensus among both academic and industry communities about considering the distributed computing paradigm as the key solution for achieving such a scaling, by envision multiple moderate-to-small-scale quantum processors communicating and cooperating to execute computational tasks exceeding the computational resources available within a single processing device. The aim of this survey is to provide the reader with an overview about the main challenges and open problems arising with distributed quantum computing, and with an easy access and guide towards the relevant literature and the prominent results from a computer/communications engineering perspective.

研究动机与目标

• 推动通过分布式量子处理来扩展超出单一设备的量子比特的需求。
• 弥合物理学、通信和计算机工程文献在 DQC 方面的差距。
• 提供一个结构化指南，涵盖从多种工程视角与 DQC 相关的主要文献与结果。
• 概述 DQC 中的四个核心视角（算法、网络、编译、仿真）及其相互依赖关系。

提出的方法

• 将 DQC 构建在四个相互依赖的支柱之上：算法、网络、编译与仿真。
• 讨论分布式设置下的算法分区与执行管理。
• 解释量子线路编译，重点在于将逻辑量子比特映射到物理量子比特，以及跨 QPU 处理非相邻相互作用的处理。
• 强调量子网络在互连 QPUs 方面的作用，包括非局部门和 telegate 等概念。
• 评述仿真工具及其在设计和评估 DQC 架构中的应用。
• 以代表性算法（如 QFT、QPE、VQE）和硬件考虑因素（耦合映射、门集）进行举例。

实验结果

研究问题

• RQ1 将量子算法分区以实现分布式执行的主要挑战与可行策略是什么？
• RQ2 量子线路编译在分布式环境中应如何调整，以最小化远程操作并符合硬件耦合约束？
• RQ3 量子网络和非局部门实现（如 telegate）在实现 DQC 中扮演何种角色？
• RQ4 存在哪些用于设计和评估 DQC 架构的仿真工具，它们的局限性是什么？
• RQ5 面向分布式量子计算的产业与标准化前景及未决方向有哪些？

主要发现

• 将量子计算分布式化可以在互联处理器线性增加的情况下获得指数级收益，从而实现超越单一设备限制的扩展。
• 如 QFT 的算法由于量子比特之间的强耦合相互作用而不自然可分，促使使用编译器分区和非本地门策略。
• DQC 中的量子编译必须将逻辑量子比特映射到物理量子比特，并将非相邻门转换为相邻门序列，同时尽量减少远程操作。
• 非局部门和类似 telegate 的技术是实现跨 QPU 的分布式执行的核心。
• DQC 的执行管理包括调度、分区线路实例，以及可能将线路拆分为适用于不同 QPU 的子线路，存在各种权衡。
• 仿真工具在设计、分析和比较 DQC 架构中发挥关键的促进作用，连接硬件约束与网络层面的行为。