Compilation de circuits quantiques pour des processeurs à matrice d'atomes neutres programmables dynamiquement sur le terrain

Compilation de circuits quantiques pour des processeurs à matrice d'atomes neutres programmables dynamiquement sur le terrain

Horodatage: 14 mars 2024 6:12

Daniel Bochen-Tan1, Dolev Bluvstein2, Mikhaïl D. Loukine2et la Jason Cong1

1Département d'informatique, Université de Californie, Los Angeles, CA 90095
2Département de physique, Université Harvard, Cambridge, MA 02138

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Abstract

Les réseaux de qubits dynamiquement programmables sur le terrain (DPQA) sont récemment apparus comme une plate-forme prometteuse pour le traitement de l'information quantique. Dans DPQA, les qubits atomiques sont chargés sélectivement dans des réseaux de pièges optiques qui peuvent être reconfigurés pendant le calcul lui-même. En tirant parti du transport de qubits et des opérations quantiques parallèles et intriquantes, différentes paires de qubits, même celles initialement éloignées, peuvent être intriquées à différentes étapes de l’exécution du programme quantique. Une telle reconfigurabilité et une telle connectivité non locale présentent de nouveaux défis pour la compilation, en particulier dans l'étape de synthèse de configuration qui place et achemine les qubits et planifie les portes. Dans cet article, nous considérons une architecture DPQA contenant plusieurs tableaux et prenant en charge les mouvements de tableaux 2D, représentant des plates-formes expérimentales de pointe. Au sein de cette architecture, nous discrétisons l'espace d'état et formulons la synthèse de disposition comme un problème de théories de satisfiabilité modulo, qui peut être résolu de manière optimale par les solveurs existants en termes de profondeur de circuit. Pour un ensemble de circuits de référence générés par des graphes aléatoires avec des connectivités complexes, notre compilateur OLSQ-DPQA réduit de 1.7x le nombre de portes intriquantes à deux qubits sur de petites instances problématiques par rapport aux résultats de compilation optimaux sur une architecture planaire fixe. Pour améliorer encore l'évolutivité et la praticité de la méthode, nous introduisons une heuristique gloutonne inspirée de l'approche de pelage itératif dans le routage de circuits intégrés classique. En utilisant une approche hybride combinant les méthodes gourmandes et optimales, nous démontrons que nos circuits compilés basés sur DPQA présentent une surcharge de mise à l'échelle réduite par rapport à une architecture fixe en grille, ce qui entraîne 5.1 fois moins de portes à deux qubits pour les circuits quantiques à 90 qubits. Ces méthodes permettent de réaliser des circuits quantiques complexes et programmables avec des ordinateurs quantiques à atomes neutres, et d'informer à la fois les futurs compilateurs et les futurs choix matériels.

Compilation de circuits quantiques pour les processeurs à matrice d'atomes neutres programmables dynamiquement sur le terrain PlatoBlockchain Data Intelligence. Recherche verticale. Aï.

Image à la une : Compilation de circuits quantiques pour des réseaux d'atomes neutres reconfigurables. Les qubits sont déplacés entre les étapes des portes Rydberg à deux qubits.

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Résumé populaire

Les réseaux d’atomes neutres gagnent en popularité en tant que plate-forme d’informatique quantique en raison du grand nombre de qubits, des opérations haute fidélité et de la longue cohérence. Une caractéristique unique de ces tableaux est la possibilité de modifier le couplage entre les qubits en les déplaçant physiquement. Pour exécuter des circuits quantiques sur cette architecture reconfigurable, notre compilateur place les qubits à des positions spécifiques et achemine leurs mouvements à travers différentes étapes de fonctionnement. Dans cet article, nous présentons systématiquement l'espace de conception et les contraintes dans une telle compilation. Nous fournissons également un compilateur open source qui non seulement relève ces défis, mais peut également générer des animations sur la façon dont les qubits se déplacent.

► Données BibTeX

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Cité par

[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 et Mikhail D. Lukin, « Processeur quantique logique basé sur des réseaux d'atomes reconfigurables », Nature 626 7997, 58 (2024).

[2] Daniel Bochen Tan, Shuohao Ping et Jason Cong, « Adressage optimal en profondeur d'un tableau de qubits 2D avec des contrôles 1D basés sur la factorisation matricielle binaire exacte », arXiv: 2401.13807, (2024).

[3] Hanrui Wang, Bochen Tan, Pengyu Liu, Yilian Liu, Jiaqi Gu, Jason Cong et Song Han, « Q-Pilot : Compilation de réseaux quantiques programmables sur site avec des antennes volantes », arXiv: 2311.16190, (2023).

[4] Ludwig Schmid, David F. Locher, Manuel Rispler, Sebastian Blatt, Johannes Zeiher, Markus Müller et Robert Wille, « Capacités informatiques et développement de compilateurs pour les processeurs quantiques à atomes neutres : connecter les développeurs d'outils et les experts en matériel », arXiv: 2309.08656, (2023).

[5] Joshua Viszlai, Willers Yang, Sophia Fuhui Lin, Junyu Liu, Natalia Nottingham, Jonathan M. Baker et 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 et Robert Wille, « Cartographie de circuits hybrides : exploiter le spectre complet des capacités informatiques des ordinateurs quantiques à atomes neutres », arXiv: 2311.14164, (2023).

Les citations ci-dessus proviennent de SAO / NASA ADS (dernière mise à jour réussie 2024-03-14 11:03:26). La liste peut être incomplète car tous les éditeurs ne fournissent pas de données de citation appropriées et complètes.

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