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面向全栈量子加速器的量子计算机架构
摘要 本文介绍了量子计算机架构的定义和实现，以便创建新的计算设备——量子计算机作为加速器。要解决的一个关键问题是这种量子计算机是什么，以及它与控制整个执行过程的经典处理器有何关系。在本文中，我们明确提出了量子加速器的概念，它包含加速器的所有层。这种堆栈从描述加速器目标应用程序的最高级别开始。下一层抽象了量子逻辑，概述了要在量子加速器上执行的算法。在我们的案例中，逻辑以小组开发的通用量子-经典混合计算语言 OpenQL 来表达，该语言将量子处理器视为计算加速器。OpenQL 编译器将程序转换为通用汇编语言 cQASM，可在量子模拟器上执行。cQASM 表示可由量子加速器中实现的微架构执行的指令集。在后续步骤中，编译器可以转换 cQASM 以生成 eQASM，该 eQASM 可在包含特定平台参数的特定实验设备上执行。这样，我们就能清楚地区分实验研究以寻求更好的量子比特，以及需要在量子设备上开发和执行的工业和社会应用。第一种情况为实验物理学家提供了一个全栈实验平台，使用具有退相干和错误率的真实量子比特，而第二种情况为量子应用开发人员提供了完美的量子比特，其中既没有退相干也没有错误率。我们在文章的最后明确介绍了三个全栈量子加速器的示例，分别是实验超导处理器、量子加速基因组测序和基于量子启发式方法的近期通用优化问题。我们小组目前正在积极研究后两种全栈模型。
量子加速器的通用微体系结构
量子与经典对应物之间的比较是定义量子计算机蓝图的必要步骤。同时也分析了它们的差异，但最大的差异是量子和量子门的错误率，以10-3为单位，而对于CMOS技术，则大约为10-15。物理学家目前正在研究如何规避此问题，但是估计将解决方案至少十年之遥。K. Bertels将我们的当前时期与经典计算机建筑的前横梁时期进行了比较。错误率已经提到的错误率是由于物理Qubits无法长时间保留其状态的原因。这发生在当前目前的每个实验平台。量子门是解决此问题的另一个贡献者，也容易受到错误的介绍。这些因素通过专注于操纵理论完美的量子单元来使我们距离真实量子比特的距离，并隔离了此类问题。也称为完美，因为它们的行为与其无关，并且它们的门操作是防故障的。在这种情况下，本主论文描述了量子数字微观架构的开发，该结构将用作量子组装语言之间的介质-CQASM-和使用C ++进行此类Qubits -Qbeesim-处理的仿真平台。此处描述的量子微观构造是通用的，因为它没有具体溶液为导向的设计，但应用作适应性的结构，需要最小的调整以拟合任何特定的研究领域。使用它，我们估计当前的经典设备在电路模拟方面允许我们使用什么，得出的结论是，对于单个孤立的设备，固定量子应超出我们的限制。这项工作使我们更接近实现完整的全堆栈量子加速器[11]，并简化了量子算法开发过程。