[论文解读] Quantum Accelerator Stack: A Research Roadmap

Koen Bertels, Aritra Sarkar+8 more|Lirias (KU Leuven)|Feb 3, 2021

CCD and CMOS Imaging Sensors参考文献 44被引用 6

一句话总结

本文提出了一种全栈量子加速器架构，将经典控制与量子处理相结合，采用理想化量子比特和从应用到微代码的分层软硬件流水线。该工作引入了 OpenQL 和 cQASM 用于量子程序编译，支持仿真并为未来映射到真实设备铺平道路，通过混合量子-经典系统为工业采用提供路线图。

ABSTRACT

This paper presents the definition and implementation of a quantum computer architecture to enable creating a new computational device - a quantum computer as an accelerator In this paper, we present explicitly the idea of a quantum accelerator which contains the full stack of the layers of an accelerator. Such a stack starts at the highest level describing the target application of the accelerator. Important to realise is that qubits are defined as perfect qubits, implying they do not decohere and perform good quantum gate operations. The next layer abstracts the quantum logic outlining the algorithm that is to be executed on the quantum accelerator. In our case, the logic is expressed in the universal quantum-classical hybrid computation language developed in the group, called OpenQL. We also have to start thinking about how to verify, validate and test the quantum software such that the compiler generates a correct version of the quantum circuit. The OpenQL compiler translates the program to a common assembly language, called cQASM. We need to develop a quantum operating system that manages all the hardware of the micro-architecture. The layer below the micro-architecture is responsible of the mapping and routing of the qubits on the topology such that the nearest-neighbour-constraint can be be respected. At any moment in the future when we are capable of generating multiple good qubits, the compiler can convert the cQASM to generate the eQASM, which is executable on a particular experimental device incorporating the platform-specific parameters. This way, we are able to distinguish clearly the experimental research towards better qubits, and the industrial and societal applications that need to be developed and executed on a quantum device.

研究动机与目标

• 定义一个完整的量子加速器栈，将经典控制与量子处理集成，以支持工业和科学应用。
• 使应用开发者能够使用 OpenQL 等高级语言专注于量子逻辑，抽象出硬件复杂性。
• 在理想化（理想量子比特）与现实（NISQ）量子计算研究之间建立清晰分离，以支持可扩展开发。
• 开发从量子程序到可执行微代码的编译器流水线，用于未来量子模拟器和硬件部署。
• 提出一种量子操作系统和微架构层，用于在硬件约束下管理量子比特路由、映射和门执行。

提出的方法

• 定义五层量子加速器栈：应用层、量子逻辑层（使用 OpenQL）、编译层（转换为 cQASM）、微架构层和物理量子比特映射层。
• 使用 OpenQL 作为通用的量子-经典混合编程语言，用于表达量子算法并在编译前验证正确性。
• 将 OpenQL 程序转换为 cQASM，一种用于量子电路的通用汇编语言，可在量子模拟器上执行。
• 设计支持门级执行并在最近邻约束下管理量子比特连接性的微架构层。
• 提出从 cQASM 到 eQASM 的未来过渡路径，后者包含实验设备的平台特定参数。
• 提出一种量子操作系统，用于管理量子比特初始化、错误缓解和整个栈中的硬件资源分配。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计一种全栈量子加速器架构，以同时支持理想化和现实世界的量子计算研究？
• RQ2 高级量子编程语言如 OpenQL 在实现量子软件的验证和可移植性方面发挥什么作用？
• RQ3 如何通过编译器流水线将量子算法转换为可在模拟器上执行并最终部署到硬件的微代码？
• RQ4 在物理约束（如最近邻相互作用）下，管理量子比特映射、路由和门执行的关键架构组件是什么？
• RQ5 如何结构化从理想量子比特到真实、含噪声量子比特的过渡，以同时支持学术研究和工业应用开发？

主要发现

• 量子加速器栈实现了应用逻辑（使用 OpenQL）与底层硬件控制之间的清晰分离，提升了可移植性和验证能力。
• cQASM 作为量子程序的标准化中间表示，支持在模拟器上执行，并可映射到未来的真实设备。
• 所提出的栈支持从 cQASM 到 eQASM 的未来迁移路径，后者包含实验平台的设备特定参数。
• 在早期开发中使用理想量子比特，使研究人员能够专注于算法正确性和性能，而不受硬件噪声的限制。
• 路线图识别出三个阶段：应用反射（阶段 I）、在 OpenQL 和 QBeeSim 中进行逻辑原型设计（阶段 II）以及硬件实现（阶段 III），TRL 8 作为关键里程碑。
• 通过协处理器模型将经典控制与量子处理集成，符合阿姆达尔定律，并可通过专用加速实现性能提升。