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摘要 — 捕获离子 (TI) 是构建嘈杂中型量子 (NISQ) 硬件的主要候选者。TI 量子比特与超导量子比特等其他技术相比具有根本优势，包括高量子比特质量、相干性和连通性。然而，当前的 TI 系统规模较小，只有 5-20 个量子比特，并且通常使用单个陷阱架构，这在可扩展性方面存在根本限制。为了向下一个重要里程碑 50-100 量子比特 TI 设备迈进，提出了一种称为量子电荷耦合器件 (QCCD) 的模块化架构。在基于 QCCD 的 TI 设备中，小陷阱通过离子穿梭连接。虽然已经展示了此类设备的基本硬件组件，但构建 50-100 量子比特系统具有挑战性，因为陷阱尺寸、通信拓扑和门实现的设计可能性范围很广，并且需要满足不同的应用资源要求。为了实现具有 50-100 个量子位的基于 QCCD 的 TI 系统，我们进行了广泛的应用驱动架构研究，评估了陷阱大小、通信拓扑和操作实现方法等关键设计选择。为了开展研究，我们构建了一个设计工具流，该工具流以 QCCD 架构的参数作为输入，以及一组应用程序和真实的硬件性能模型。我们的工具流将应用程序映射到目标设备上并模拟其执行以计算应用程序运行时间、可靠性和设备噪声率等指标。使用六个应用程序和几个硬件设计点，我们表明陷阱大小和通信拓扑选择可以将应用程序可靠性影响多达三个数量级。微架构门实现选择将可靠性影响另一个数量级。通过这些研究，我们提供了具体的建议来调整这些选择，以实现高度可靠和高性能的应用程序执行。随着业界和学术界努力构建具有 50-100 个量子比特的 TI 设备，我们的见解有可能在不久的将来影响 QC 硬件并加速实用 QC 系统的进程。
构建嘈杂的中型离子阱量子计算机
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