[论文解读] Review of Distributed Quantum Computing. From single QPU to High Performance Quantum Computing

David Barral, F. Javier Cardama+11 more|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2024

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 6

一句话总结

本文对分布式量子计算（DQC）进行了全面综述，涵盖其基础理论、硬件/软件栈、网络化 QPUs、分布式算法以及开放的研究方向。

ABSTRACT

The emerging field of quantum computing has shown it might change how we process information by using the unique principles of quantum mechanics. As researchers continue to push the boundaries of quantum technologies to unprecedented levels, distributed quantum computing raises as an obvious path to explore with the aim of boosting the computational power of current quantum systems. This paper presents a comprehensive survey of the current state of the art in the distributed quantum computing field, exploring its foundational principles, landscape of achievements, challenges, and promising directions for further research. From quantum communication protocols to entanglement-based distributed algorithms, each aspect contributes to the mosaic of distributed quantum computing, making it an attractive approach to address the limitations of classical computing. Our objective is to provide an exhaustive overview for experienced researchers and field newcomers.

研究动机与目标

• 调查分布式量子计算的基础原理，以及纠缠、传送和互量子处理单元（QPU）通信的作用。
• 分析实现 DQC 的硬件设备和互连网络的现状。
• 评审用于分布式执行的软件栈发展，包括分区、编译、优化和映射。
• 考察分布式算法与应用，识别挑战与未来方向。

提出的方法

• 建立将硬件、网络、开发和应用层对齐的分层全栈模型，用于 DQC。
• 对量子纠缠、传送变体（teledata、entanglement swapping、telegate）及其在 DQC 中的作用进行综述。
• 评估用于纠缠分发的量子设备（QPUs、transducers、memories、repeaters、routers） 。
• 讨论量子通信协议、网络化架构及其与 HPC 环境的集成。
• 分析跨技术的现有示范和里程碑，以说明最前沿水平。

实验结果

研究问题

• RQ1 在多个 QPU 之间实现分布式量子计算的基本原理和组件是什么？
• RQ2 硬件平台和互连（transducers、memories、repeaters）如何实现可扩展的 DQC？
• RQ3 哪些软件栈方法（partitioning、compilation、optimization、mapping）和分布式算法能够在分布式量子系统上实现有效执行？
• RQ4 通过分布式方法实现高性能量子计算的主要挑战和有希望的方向是什么？

主要发现

• 分层全栈视图有助于统一 DQC 的硬件、网络、开发和应用方面。
• 量子纠缠和量子传送（teledata、entanglement swapping、telegate）是分发量子信息和量子操作的核心。
• 正在开发各种量子设备（QPUs、transducers、memories、repeaters、routers），以实现模块化、可扩展的量子网络。
• 量子中继器和纠缠蒸馏对于长距离纠缠分发和可靠的传送至关重要。
• 目前强调将量子系统与经典 HPC 相结合，形成以量子为中心的 HPC 中心，正如 IBM Quantum System Two 等行业动向所示。