Compilazione di circuiti quantistici per processori di array di atomi neutri programmabili dinamicamente sul campo

Compilazione di circuiti quantistici per processori di array di atomi neutri programmabili dinamicamente sul campo

Timestamp: 14 marzo 2024 6:12

Daniel Bochen Tan1, Dolev Bluvstein2, Michail D. Lukin2e Jason Cong1

1Dipartimento di Informatica, Università della California, Los Angeles, CA 90095
2Dipartimento di Fisica, Università di Harvard, Cambridge, MA 02138

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Astratto

Gli array di qubit programmabili dinamicamente sul campo (DPQA) sono recentemente emersi come una piattaforma promettente per l'elaborazione delle informazioni quantistiche. In DPQA, i qubit atomici vengono caricati selettivamente in array di trappole ottiche che possono essere riconfigurate durante il calcolo stesso. Sfruttando il trasporto dei qubit e il parallelo, l’entanglement delle operazioni quantistiche, diverse coppie di qubit, anche quelle inizialmente lontane, possono essere intrecciate in diverse fasi dell’esecuzione del programma quantistico. Tale riconfigurabilità e connettività non locale presentano nuove sfide per la compilazione, in particolare nella fase di sintesi del layout che posiziona e instrada i qubit e pianifica le porte. In questo articolo, consideriamo un'architettura DPQA che contiene più array e supporta movimenti di array 2D, che rappresentano piattaforme sperimentali all'avanguardia. All'interno di questa architettura, discretizziamo lo spazio degli stati e formuliamo la sintesi del layout come un problema di soddisfacibilità modulo teorie, che può essere risolto in modo ottimale dai solutori esistenti in termini di profondità del circuito. Per una serie di circuiti benchmark generati da grafi casuali con connettività complessa, il nostro compilatore OLSQ-DPQA riduce il numero di porte entanglement a due qubit su piccole istanze problematiche di 1.7 volte rispetto ai risultati di compilazione ottimali su un'architettura planare fissa. Per migliorare ulteriormente la scalabilità e la praticità del metodo, introduciamo un'euristica golosa ispirata all'approccio iterativo del peeling nel classico routing dei circuiti integrati. Utilizzando un approccio ibrido che combina metodi avidi e ottimali, dimostriamo che i nostri circuiti compilati basati su DPQA presentano un sovraccarico di ridimensionamento ridotto rispetto a un'architettura fissa a griglia, risultando in 5.1 volte in meno di porte a due qubit per circuiti quantistici da 90 qubit. Questi metodi consentono circuiti quantistici programmabili e complessi con computer quantistici ad atomo neutro, oltre a informare sia i futuri compilatori che le future scelte hardware.

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Immagine in primo piano: compilazione di circuiti quantistici in array di atomi neutri riconfigurabili. I qubit vengono spostati tra gli stadi delle porte Rydberg a due qubit.

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Riepilogo popolare

Gli array di atomi neutri stanno guadagnando popolarità come piattaforma per l'informatica quantistica a causa del gran numero di qubit, delle operazioni ad alta fedeltà e della lunga coerenza. Una caratteristica unica di questi array è la capacità di modificare l'accoppiamento tra i qubit spostandoli fisicamente. Per eseguire circuiti quantistici su questa architettura riconfigurabile, il nostro compilatore posiziona i qubit in posizioni specifiche e instrada i loro movimenti attraverso varie fasi operative. In questo articolo presentiamo sistematicamente lo spazio di progettazione e i vincoli in tale compilazione. Forniamo anche un compilatore open source che non solo affronta queste sfide ma può generare animazioni di come si muovono i qubit.

► dati BibTeX

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, A. Li, S. Stein, S. Krishnamoorthy e J. Ang. "QASMBench: una suite di benchmark quantistici di basso livello per la valutazione e la simulazione NISQ". Transazioni ACM sull'informatica quantistica (2022).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3550488 mila

Citato da

[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 e Mikhail D. Lukin, "Processore quantistico logico basato su array di atomi riconfigurabili", Natura 626 7997, 58 (2024).

[2] Daniel Bochen Tan, Shuohao Ping e Jason Cong, "Indirizzamento ottimale in profondità dell'array di Qubit 2D con controlli 1D basati sulla fattorizzazione esatta della matrice binaria", arXiv: 2401.13807, (2024).

[3] Hanrui Wang, Bochen Tan, Pengyu Liu, Yilian Liu, Jiaqi Gu, Jason Cong e Song Han, "Q-Pilot: compilazione di array quantistici programmabili sul campo con ancillari volanti", arXiv: 2311.16190, (2023).

[4] Ludwig Schmid, David F. Locher, Manuel Rispler, Sebastian Blatt, Johannes Zeiher, Markus Müller e Robert Wille, "Capacità computazionali e sviluppo del compilatore per processori quantistici ad atomi neutri: collegamento di sviluppatori di strumenti ed esperti hardware", arXiv: 2309.08656, (2023).

[5] Joshua Viszlai, Willers Yang, Sophia Fuhui Lin, Junyu Liu, Natalia Nottingham, Jonathan M. Baker e Frederic T. Chong, "Abbinare i codici della bicicletta generalizzata agli atomi neutri per la tolleranza ai guasti a basso sovraccarico", arXiv: 2311.16980, (2023).

[6] Ludwig Schmid, Sunghye Park, Seokhyeong Kang e Robert Wille, "Mappatura di circuiti ibridi: sfruttare l'intero spettro di capacità computazionali dei computer quantistici ad atomo neutro", arXiv: 2311.14164, (2023).

Le citazioni sopra sono di ANNUNCI SAO / NASA (ultimo aggiornamento riuscito 2024-03-14 11:03:26). L'elenco potrebbe essere incompleto poiché non tutti gli editori forniscono dati di citazione adeguati e completi.

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