[论文解读] eQASM: An Executable Quantum Instruction Set Architecture

Xiang Fu, Leon Riesebos+14 more|arXiv (Cornell University)|Aug 7, 2018

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 44被引用 6

一句话总结

本文提出 eQASM，一种可执行的量子指令集架构（QISA），可在量子控制微架构上实现完整的量子程序流程控制，如条件执行和反馈。通过支持高效的定时指定、单操作多量子比特执行以及非常长指令字（VLIW）设计，eQASM 在可扩展性方面优于先前的 QISA（如 QuMIS），并实现了高保真度的硬件直接执行量子程序，已在两量子比特超导处理器上得到验证，Grover 搜索算法的保真度达到 85.6%。

ABSTRACT

A widely-used quantum programming paradigm comprises of both the data flow and control flow. Existing quantum hardware cannot well support the control flow, significantly limiting the range of quantum software executable on the hardware. By analyzing the constraints in the control microarchitecture, we found that existing quantum assembly languages are either too high-level or too restricted to support comprehensive flow control on the hardware. Also, as observed with the quantum microinstruction set QuMIS, the quantum instruction set architecture (QISA) design may suffer from limited scalability and flexibility because of microarchitectural constraints. It is an open challenge to design a scalable and flexible QISA which provides a comprehensive abstraction of the quantum hardware. In this paper, we propose an executable QISA, called eQASM, that can be translated from quantum assembly language (QASM), supports comprehensive quantum program flow control, and is executed on a quantum control microarchitecture. With efficient timing specification, single-operation-multiple-qubit execution, and a very-long-instruction-word architecture, eQASM presents better scalability than QuMIS. The definition of eQASM focuses on the assembly level to be expressive. Quantum operations are configured at compile time instead of being defined at QISA design time. We instantiate eQASM into a 32-bit instruction set targeting a seven-qubit superconducting quantum processor. We validate our design by performing several experiments on a two-qubit quantum processor.

研究动机与目标

• 解决现有量子汇编语言中缺乏对全面量子程序流程控制的硬件支持的问题。
• 设计一种可扩展且灵活的量子指令集架构（QISA），支持运行时反馈和动态控制流。
• 通过定义一种表达性强、低层次的指令集，实现量子程序在控制微架构上的直接执行。
• 通过改进可扩展性并支持通过编译时配置实现未校准或不常见的量子操作，克服先前 QISA（如 QuMIS）的局限性。
• 通过在面向七量子比特超导处理器的 32 位指令集上实例化 eQASM，并在两量子比特芯片上进行测试，对 eQASM 模型进行验证。

提出的方法

• eQASM 在汇编级别定义，以提供对量子操作和定时的精细控制，实现与硬件的直接映射。
• 该架构采用非常长指令字（VLIW）设计，支持在不同量子比特上并发执行多个量子操作。
• 支持单操作多量子比特（SOMQ）执行，以提高操作速率并降低延迟。
• 在 eQASM 中显式指定定时信息，使编译器能够根据平台进行特定调度和优化。
• 量子操作在编译时进行配置，而非在 QISA 设计时，从而支持未校准或罕见操作。
• eQASM 被实例化为面向七量子比特超导量子处理器的 32 位指令集，并在具有中央控制器和 UHFQC 的量子微架构上执行，实现反馈控制。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种 QISA，使其在微架构层面支持完整的量子程序流程控制，包括条件执行和反馈？
• RQ2 QISA 如何相比现有微架构设计（如 QuMIS）实现更好的可扩展性和灵活性？
• RQ3 QISA 中显式定时指定在多大程度上能提升硬件级优化和量子实验的保真度？
• RQ4 eQASM 能否在真实硬件上高效执行复杂量子算法（如 Grover 搜索）并实现可测量的保真度？
• RQ5 通过微架构集成反馈控制对量子操作的延迟和可靠性有何影响？

主要发现

• eQASM 实现了快速的条件执行，反馈延迟约为 92 ns，显著降低了运行时开销。
• 条件反馈控制（CFC）的验证延迟约为 316 ns，证明了动态控制流的可行性。
• 通过量子层析成像和最大似然估计，两量子比特 Grover 搜索算法的保真度测量为 85.6%，主要受限于 CZ 门的保真度不足。
• 将门间隔从 320 ns 降低到 20 ns，使门保真度从 0.71% 提升至 0.10%，凸显了精确定时控制的重要性。
• 基于 eQASM 的控制微架构由于高效使用 VLIW 和 SOMQ 执行，操作速率相比先前方法提升了 7 倍。
• 时序与量子语义的分离使得 eQASM 程序可转换为其他可执行格式，用于不同硬件平台，且不损失语义正确性。