Compilando circuitos quânticos para processadores de matriz de átomos neutros programáveis ​​em campo dinamicamente

Compilando circuitos quânticos para processadores de matriz de átomos neutros programáveis ​​em campo dinamicamente

Carimbo de hora: 14 de março de 2024 6h12

Daniel Bochen-Tan1, Dolev Bluvstein2, Mikhail D. Lukin2 e Jason Cong1

1Departamento de Ciência da Computação, Universidade da Califórnia, Los Angeles, CA 90095
2Departamento de Física, Universidade de Harvard, Cambridge, MA 02138

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Sumário

Matrizes qubit programáveis ​​​​dinamicamente em campo (DPQA) surgiram recentemente como uma plataforma promissora para processamento de informações quânticas. No DPQA, os qubits atômicos são carregados seletivamente em matrizes de armadilhas ópticas que podem ser reconfiguradas durante o próprio cálculo. Aproveitando o transporte de qubits e operações quânticas paralelas e emaranhadas, diferentes pares de qubits, mesmo aqueles inicialmente distantes, podem ser emaranhados em diferentes estágios da execução do programa quântico. Tal reconfigurabilidade e conectividade não local apresentam novos desafios para a compilação, especialmente na etapa de síntese do layout que coloca e roteia os qubits e programa as portas. Neste artigo, consideramos uma arquitetura DPQA que contém múltiplos arrays e suporta movimentos de array 2D, representando plataformas experimentais de ponta. Dentro desta arquitetura, discretizamos o espaço de estados e formulamos a síntese de layout como um problema de teoria do módulo de satisfatibilidade, que pode ser resolvido de forma otimizada pelos solucionadores existentes em termos de profundidade do circuito. Para um conjunto de circuitos de benchmark gerados por gráficos aleatórios com conectividades complexas, nosso compilador OLSQ-DPQA reduz o número de portas emaranhadas de dois qubits em pequenas instâncias de problemas em 1.7x em comparação com os resultados ideais de compilação em uma arquitetura planar fixa. Para melhorar ainda mais a escalabilidade e praticidade do método, introduzimos uma heurística gananciosa inspirada na abordagem de peeling iterativo no roteamento clássico de circuitos integrados. Usando uma abordagem híbrida que combinou os métodos gananciosos e ótimos, demonstramos que nossos circuitos compilados baseados em DPQA apresentam sobrecarga de escala reduzida em comparação com uma arquitetura fixa de grade, resultando em 5.1X menos portas de dois qubit para circuitos quânticos de 90 qubit. Esses métodos permitem circuitos quânticos complexos e programáveis ​​com computadores quânticos de átomos neutros, além de informar futuros compiladores e futuras escolhas de hardware.

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Imagem em destaque: Compilando circuitos quânticos para matrizes de átomos neutros reconfiguráveis. Qubits são movidos entre os estágios das portas Rydberg de dois qubits.

[Conteúdo incorporado]

Resumo popular

Matrizes de átomos neutros estão ganhando popularidade como plataforma para computação quântica devido ao grande número de qubits, operações de alta fidelidade e longa coerência. Uma característica única desses arrays é a capacidade de alterar o acoplamento entre qubits movendo-os fisicamente. Para executar circuitos quânticos nesta arquitetura reconfigurável, nosso compilador coloca qubits em posições específicas e roteia seus movimentos através de vários estágios de operação. Neste artigo, apresentamos sistematicamente o espaço de design e as restrições nessa compilação. Também fornecemos um compilador de código aberto que não apenas aborda esses desafios, mas também pode gerar animações de como os qubits se movem.

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https:/​/​ai.eecs.umich.edu/​people/​conway/​VLSI/​VLSIText/​PP-V2/​V2.pdf

[64] A. Li, S. Stein, S. Krishnamoorthy e J. Ang. “QASMBench: Um conjunto de benchmark quântico de baixo nível para avaliação e simulação NISQ”. Transações ACM em Computação Quântica (2022).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3550488

Citado por

[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, “Processador quântico lógico baseado em matrizes de átomos reconfiguráveis”, Natureza 626 7997, 58 (2024).

[2] Daniel Bochen Tan, Shuohao Ping e Jason Cong, “Endereçamento ideal de profundidade de matriz Qubit 2D com controles 1D baseados na fatoração exata de matriz binária”, arXiv: 2401.13807, (2024).

[3] Hanrui Wang, Bochen Tan, Pengyu Liu, Yilian Liu, Jiaqi Gu, Jason Cong e Song Han, “Q-Pilot: Compilação de matriz quântica programável em campo com Flying Ancillas”, arXiv: 2311.16190, (2023).

[4] Ludwig Schmid, David F. Locher, Manuel Rispler, Sebastian Blatt, Johannes Zeiher, Markus Müller e Robert Wille, “Capacidades computacionais e desenvolvimento de compilador para processadores quânticos de átomos neutros: conectando desenvolvedores de ferramentas e especialistas em hardware”, arXiv: 2309.08656, (2023).

[5] Joshua Viszlai, Willers Yang, Sophia Fuhui Lin, Junyu Liu, Natalia Nottingham, Jonathan M. Baker e 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 e Robert Wille, “Mapeamento de circuitos híbridos: aproveitando o espectro completo de capacidades computacionais de computadores quânticos de átomos neutros”, arXiv: 2311.14164, (2023).

As citações acima são de SAO / NASA ADS (última atualização com êxito 2024-03-14 11:03:26). A lista pode estar incompleta, pois nem todos os editores fornecem dados de citação adequados e completos.

Não foi possível buscar Dados citados por referência cruzada durante a última tentativa 2024-03-14 11:03:25: Não foi possível buscar os dados citados por 10.22331 / q-2024-03-14-1281 do Crossref. Isso é normal se o DOI foi registrado recentemente.

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