[论文解读] Programming the full stack of an open-access quantum computer

Virginia Frey, Richard Rademacher+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 11, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 26被引用 5

一句话总结

本文介绍了 Quala，一种全栈量子编程语言，它将高阶电路抽象与低温离子量子计算机的低阶模拟控制及FPGA级硬件指令统一起来。通过无缝集成数字门、脉冲波形、实时决策逻辑以及校准感知的符号代数，Quala 在量子程序编译与硬件执行方面实现了端到端的透明性，尤其适用于 QuantumION 等远程访问平台。

ABSTRACT

We present a new quantum programming language called "Quala" that enables true full-stack programming of quantum hardware. Quala allows seamless integration of abstraction layers such as the digital circuit layer and the analog control pulse waveform layer. Additionally, the language supports user-issued low-level hardware instructions like FPGA actions. Mid-circuit measurements and branching decision logic support real-time, adaptive programs. This flexibility allows users to write code for everything from quantum error correction to analog quantum simulation. The combination of a user-facing calibration database and a powerful symbolic algebra framework provides users with an unprecedented level of expressiveness and transparency. We display the salient characteristics of the language structure and describe how the accompanying compiler can translate programs written in any abstraction layer into precisely timed hardware commands. We intend for this language to bridge the gap between circuit-level programming and physical operations on real hardware while maintaining full transparency in each level of the stack. This eliminates the need for "behind-the-scenes" compilation and provides users with insights into the day-to-day calibration routines.

研究动机与目标

• 解决当前量子编程语言在全栈透明性方面的不足，特别是针对远程访问的量子硬件。
• 弥合高阶量子电路与低温离子系统中低阶模拟脉冲控制之间的语义鸿沟。
• 使用户能够在不依赖不透明编译过程的前提下，跨所有抽象层次（电路、脉冲、硬件）编写、编译和调试量子程序。
• 通过中电路测量和条件逻辑原生支持实时自适应编程，这对于量子误差纠正和模拟模拟至关重要。
• 集成用户可访问的校准数据库与符号代数框架，以提升表达能力与可复现性。

提出的方法

• 设计 Quala 作为领域特定语言，原生支持三种抽象层次：电路级门、模拟脉冲波形和低阶FPGA控制命令。
• 实现一个编译器，将任意层次编写的程序精确转换为定时硬件命令，确保各层次间语义保真度。
• 引入 Event 和 Segment 构造，通过相对或绝对时间序列化操作，支持复杂实验工作流。
• 通过运行时决策逻辑嵌入条件执行与中电路测量，支持自适应量子程序。
• 提供标准库，包含硬件特定例程（如多普勒冷却、侧带冷却）和可重用门定义，以简化高层编程。
• 利用符号代数与校准数据库，暴露并管理硬件调谐参数，提升透明度与可复现性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在单一、统一的框架中，将量子编程语言的电路级编程与低阶模拟及FPGA级硬件控制相结合？
• RQ2 哪些设计原则能够实现在量子程序编译与执行中的全栈透明性，特别是针对远程访问的量子硬件？
• RQ3 如何在高层量子语言中原生支持实时决策逻辑与中电路测量？
• RQ4 符号代数框架与校准数据库在多大程度上能提升量子编程的表达能力与可复现性？
• RQ5 能否设计一种具备足够通用性的全栈语言，使其可跨不同离子阱与FPGA控制的量子硬件平台使用？

主要发现

• Quala 通过在单一语言中整合电路级门、模拟脉冲波形与FPGA级控制命令，成功实现了全栈编程，消除了不透明编译层的需求。
• 该语言支持中电路测量与条件执行，使实时自适应程序成为可能，这对量子误差纠正与模拟模拟至关重要。
• 编译器可将任意抽象层次编写的程序精确转换为定时硬件命令，确保从高层代码到物理硬件动作的端到端可追溯性。
• 通过集成用户可访问的校准数据库与符号代数框架，用户可检查并修改校准例程，显著提升透明度与可复现性。
• 一个完整的实验协议——包括多普勒冷却、侧带冷却、全局旋转、自旋自旋相互作用与测量——已成功使用 Quala 编码并执行，证明了其全栈能力。
• 该语言设计具备足够的通用性，可扩展至其他FPGA控制的量子硬件平台，而不仅限于离子阱系统，支持更广泛的可移植性与社区采纳。