[论文解读] Quantum Computing: An Overview Across the System Stack

Salonik Resch, Ulya R. Karpuzcu|arXiv (Cornell University)|May 16, 2019

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 232被引用 52

一句话总结

本论文对量子计算在系统栈上的应用进行了综述，概述潜在应用、硬件方法、软件栈，以及实现可扩展量子计算机的进展与挑战。

ABSTRACT

Quantum computers, if fully realized, promise to be a revolutionary technology. As a result, quantum computing has become one of the hottest areas of research in the last few years. Much effort is being applied at all levels of the system stack, from the creation of quantum algorithms to the development of hardware devices. The quantum age appears to be arriving sooner rather than later as commercially useful small-to-medium sized machines have already been built. However, full-scale quantum computers, and the full-scale algorithms they would perform, remain out of reach for now. It is currently uncertain how the first such computer will be built. Many different technologies are competing to be the first scalable quantum computer.

研究动机与目标

• 通过勾勒潜在的科学和商业应用来激发并为量子计算定调其背景。
• 提供从量子算法到硬件设备与系统架构的跨层次评述。
• 总结当前的物理实现途径（超导、捕获离子、光子）及基准数据。
• 讨论与可扩展性相关的内存、近似计算和架构方面的考虑。
• 突出指向NISQ时代应用的进展及对全面量子计算机的展望。

提出的方法

• 基于文献的调查，覆盖从基础到硬件与软件的量子系统栈。
• 对量子构件（包括量子比特、纠缠、内存约束和去相干）进行比较。
• 对主要量子算法（Shor、Grover、QAOA、VQE）及其适用性进行评述。
• 对硬件平台（超导、离子阱、光子、绝热）及可扩展性挑战进行总结。
• 讨论量子软件、编译器、ISA和工具链，并举出现有生态系统与项目的示例。

实验结果

研究问题

• RQ1 相比经典计算，量子计算在科学和工业中的潜力有多大？
• RQ2 构建可扩展量子计算机的主要物理途径及其当前局限性是什么？
• RQ3 量子算法如何利用独特的量子资源，以及近端设备在哪些方面能提供实际优势？
• RQ4 量子计算在软件、编译与架构方面的关键挑战是什么，正在如何解决？
• RQ5 实现全面可扩展量子计算机的现实时间表和路线图是什么，以及其预计影响？

主要发现

• 量子计算在量子化学和某些优化任务等领域具有潜在优势，具体算法如 Shor’s 用于因子分解、Grover’s 用于搜索 显示潜在的加速。
• 近端量子设备（NISQ）在存在噪声和量子比特受限的情况下仍显示出有用性，为当前时代的应用和软件开发提供动力。
• 多种硬件平台（超导量子比特、捕获离子、绝热系统）正在由业界领军企业开发，在量子比特数量和硬件能力方面取得显著进展。
• 正在出现一个稳健的软件生态系统，包括量子语言、编译器和中间表示，用以将高级算法转化为硬件指令。
• 量子内存和纠错仍是主要挑战；尚无实用的大规模量子RAM，容错仍然资源密集。
• 现实角度强调混合软件-硬件方法和模块化设计，以实现朝着全面可扩展量子计算机的渐进式进展。