Kompilieren von Quantenschaltungen für dynamisch feldprogrammierbare Neutralatom-Array-Prozessoren

Kompilieren von Quantenschaltungen für dynamisch feldprogrammierbare Neutralatom-Array-Prozessoren

Zeitstempel: 14. März 2024, 6:12 Uhr

Daniel Bochen Tan1, Dolev Bluvstein2, Mikhail D. Lukin2 und Jason Kong1

1Fakultät für Informatik, University of California, Los Angeles, CA 90095
2Fachbereich Physik, Harvard University, Cambridge, MA 02138

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Abstrakt

Dynamisch feldprogrammierbare Qubit-Arrays (DPQA) haben sich kürzlich als vielversprechende Plattform für die Quanteninformationsverarbeitung herausgestellt. Bei der DPQA werden atomare Qubits selektiv in Arrays optischer Fallen geladen, die während der Berechnung selbst neu konfiguriert werden können. Mithilfe des Qubit-Transports und paralleler, verschränkender Quantenoperationen können verschiedene Paare von Qubits, auch solche, die zunächst weit entfernt sind, in verschiedenen Phasen der Quantenprogrammausführung miteinander verschränkt werden. Eine solche Rekonfigurierbarkeit und nicht-lokale Konnektivität stellen neue Herausforderungen für die Kompilierung dar, insbesondere im Schritt der Layout-Synthese, bei dem die Qubits platziert und weitergeleitet und die Gates geplant werden. In diesem Artikel betrachten wir eine DPQA-Architektur, die mehrere Arrays enthält und 2D-Array-Bewegungen unterstützt und damit hochmoderne experimentelle Plattformen darstellt. Innerhalb dieser Architektur diskretisieren wir den Zustandsraum und formulieren die Layoutsynthese als Erfüllbarkeitsproblem der Modulotheorien, das von vorhandenen Lösern hinsichtlich der Schaltungstiefe optimal gelöst werden kann. Für eine Reihe von Benchmark-Schaltkreisen, die durch Zufallsgraphen mit komplexen Konnektivitäten generiert werden, reduziert unser Compiler OLSQ-DPQA die Anzahl der Zwei-Qubit-Verschränkungsgatter bei kleinen Probleminstanzen um das 1.7-fache im Vergleich zu optimalen Kompilierungsergebnissen auf einer festen planaren Architektur. Um die Skalierbarkeit und Praktikabilität der Methode weiter zu verbessern, führen wir eine Greedy-Heuristik ein, die vom iterativen Peeling-Ansatz im klassischen Routing integrierter Schaltkreise inspiriert ist. Mithilfe eines Hybridansatzes, der die Greedy- und Optimal-Methoden kombiniert, zeigen wir, dass unsere DPQA-basierten kompilierten Schaltkreise im Vergleich zu einer gitterfesten Architektur einen geringeren Skalierungsaufwand aufweisen, was zu 5.1-mal weniger Zwei-Qubit-Gattern für 90-Qubit-Quantenschaltkreise führt. Diese Methoden ermöglichen programmierbare, komplexe Quantenschaltungen mit Quantencomputern mit neutralen Atomen und informieren sowohl zukünftige Compiler als auch zukünftige Hardware-Entscheidungen.

Kompilieren von Quantenschaltungen für dynamisch feldprogrammierbare Array-Prozessoren neutraler Atome PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertikale Suche. Ai.

Ausgewähltes Bild: Kompilieren von Quantenschaltkreisen zu rekonfigurierbaren Arrays neutraler Atome. Qubits werden zwischen den Stufen von Rydberg-Zwei-Qubit-Gattern bewegt.

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Populäre Zusammenfassung

Neutrale Atomarrays erfreuen sich als Plattform für Quantencomputing aufgrund der großen Anzahl von Qubits, hochpräziser Operationen und langer Kohärenz zunehmender Beliebtheit. Ein einzigartiges Merkmal dieser Arrays ist die Fähigkeit, die Kopplung zwischen Qubits durch physisches Bewegen zu ändern. Um Quantenschaltungen in dieser rekonfigurierbaren Architektur auszuführen, platziert unser Compiler Qubits an bestimmten Positionen und leitet ihre Bewegungen durch verschiedene Betriebsphasen. In diesem Artikel stellen wir den Gestaltungsspielraum und die Einschränkungen bei einer solchen Zusammenstellung systematisch vor. Wir bieten auch einen Open-Source-Compiler an, der nicht nur diese Herausforderungen meistert, sondern auch Animationen der Bewegung von Qubits generieren kann.

► BibTeX-Daten

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[64] A. Li, S. Stein, S. Krishnamoorthy und J. Ang. „QASMBench: Eine Low-Level-Quanten-Benchmark-Suite für die NISQ-Bewertung und -Simulation“. ACM-Transaktionen zum Quantencomputing (2022).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3550488

Zitiert von

[1] Dolev Bluvstein, Simon J. Evered, Alexandra A. Geim, Sophie H. Li, Hengyun Zhou, Tom Manovitz, Sepehr Ebadi, Madelyn Cain, Marcin Kalinowski, Dominik Hangleiter, J. Pablo Bonilla Ataides, Nishad Maskara, Iris Cong , Xun Gao, Pedro Sales Rodriguez, Thomas Karolyshyn, Giulia Semeghini, Michael J. Gullans, Markus Greiner, Vladan Vuletić und Mikhail D. Lukin, „Logischer Quantenprozessor basierend auf rekonfigurierbaren Atomarrays“, Natur 626 7997, 58 (2024).

[2] Daniel Bochen Tan, Shuohao Ping und Jason Cong, „Tiefenoptimale Adressierung von 2D-Qubit-Arrays mit 1D-Steuerungen basierend auf exakter binärer Matrixfaktorisierung“, arXiv: 2401.13807, (2024).

[3] Hanrui Wang, Bochen Tan, Pengyu Liu, Yilian Liu, Jiaqi Gu, Jason Cong und Song Han, „Q-Pilot: Field Programmable Quantum Array Compilation with Flying Ancillas“, arXiv: 2311.16190, (2023).

[4] Ludwig Schmid, David F. Locher, Manuel Rispler, Sebastian Blatt, Johannes Zeiher, Markus Müller und Robert Wille, „Computational Capabilities and Compiler Development for Neutral Atom Quantum Processors: Connecting Tool Developers and Hardware Experts“, arXiv: 2309.08656, (2023).

[5] Joshua Viszlai, Willers Yang, Sophia Fuhui Lin, Junyu Liu, Natalia Nottingham, Jonathan M. Baker und Frederic T. Chong, „Matching Generalized-Bicycle Codes to Neutral Atoms for Low-Overhead Fault-Tolerance“, arXiv: 2311.16980, (2023).

[6] Ludwig Schmid, Sunghye Park, Seokhyeong Kang und Robert Wille, „Hybrid Circuit Mapping: Leveraging the Full Spectrum of Computational Capabilities of Neutral Atom Quantum Computers“, arXiv: 2311.14164, (2023).

Die obigen Zitate stammen von SAO / NASA ADS (Zuletzt erfolgreich aktualisiert am 2024, 03:14:11 Uhr). Die Liste ist möglicherweise unvollständig, da nicht alle Verlage geeignete und vollständige Zitationsdaten bereitstellen.

Konnte nicht abrufen Crossref zitiert von Daten während des letzten Versuchs 2024-03-14 11:03:25: Von Crossref konnten keine zitierten Daten für 10.22331 / q-2024-03-14-1281 abgerufen werden. Dies ist normal, wenn der DOI kürzlich registriert wurde.

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