論文の概要: Exploiting Different Levels of Parallelism in the Quantum Control Microarchitecture for Superconducting Qubits

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2108.08671v2
• Date: Thu, 26 Aug 2021 09:41:34 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-03-18 01:17:22.043682
• Title: Exploiting Different Levels of Parallelism in the Quantum Control Microarchitecture for Superconducting Qubits
• Title（参考訳）: 超伝導量子ビットの量子制御マイクロアーキテクチャにおける異なるレベルの並列性の利用
• Authors: Mengyu Zhang, Lei Xie, Zhenxing Zhang, Qiaonian Yu, Guanglei Xi, Huangliang Zhang, Fuming Liu, Yarui Zheng, Yicong Zheng, Shengyu Zhang
• Abstract要約: 回路レベル並列(CLP)と量子操作レベル並列(QOLP)を利用する新しい制御マイクロアーキテクチャを提案する。 Shor症候群測定のベンチマークテストでは,提案手法の6コア実装は単一コアと比較して最大2.59$times$ Speedupを実現している。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 16.81923513772868
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: As current Noisy Intermediate Scale Quantum (NISQ) devices suffer from decoherence errors, any delay in the instruction execution of quantum control microarchitecture can lead to the loss of quantum information and incorrect computation results. Hence, it is crucial for the control microarchitecture to issue quantum operations to the Quantum Processing Unit (QPU) in time. As in classical microarchitecture, parallelism in quantum programs needs to be exploited for speedup. However, three challenges emerge in the quantum scenario: 1) the quantum feedback control can introduce significant pipeline stall latency; 2) timing control is required for all quantum operations; 3) QPU requires a deterministic operation supply to prevent the accumulation of quantum errors. In this paper, we propose a novel control microarchitecture design to exploit Circuit Level Parallelism (CLP) and Quantum Operation Level Parallelism (QOLP). Firstly, we develop a Multiprocessor architecture to exploit CLP, which supports dynamic scheduling of different sub-circuits. This architecture can handle parallel feedback control and minimize the potential overhead that disrupts the timing control. Secondly, we propose a Quantum Superscalar approach that exploits QOLP by efficiently executing massive quantum instructions in parallel. Both methods issue quantum operations to QPU deterministically. In the benchmark test of a Shor syndrome measurement, a six-core implementation of our proposal achieves up to 2.59$\times$ speedup compared with a single core. For various canonical quantum computing algorithms, our superscalar approach achieves an average of 4.04$\times$ improvement over a baseline design. Finally, We perform a simultaneous randomized benchmarking (simRB) experiment on a real QPU using the proposed microarchitecture for validation.
• Abstract（参考訳）: 現在のノイズ中間スケール量子(NISQ)デバイスはデコヒーレンスエラーに悩まされているため、量子制御マイクロアーキテクチャの命令実行の遅延は、量子情報の喪失と誤った計算結果につながる可能性がある。 したがって、制御マイクロアーキテクチャは量子処理ユニット(QPU)に時間内に量子演算を発行することが重要である。 古典的なマイクロアーキテクチャのように、量子プログラムの並列性はスピードアップのために利用する必要がある。 しかし、量子シナリオに3つの課題が現れる。 1) 量子フィードバック制御はパイプライン停止時間を大幅に削減することができる。 2) すべての量子演算にはタイミング制御が必要である。 3)QPUは量子エラーの蓄積を防止するために決定論的演算供給を必要とする。 本稿では,回路レベル並列性(clp)と量子演算レベル並列性(qolp)を利用した新しい制御マイクロアーキテクチャ設計を提案する。 まず、異なるサブ回路の動的スケジューリングをサポートするCLPを利用するマルチプロセッサアーキテクチャを開発する。 このアーキテクチャは並列フィードバック制御を処理し、タイミング制御を混乱させる潜在的なオーバーヘッドを最小限に抑えることができる。 次に,大規模量子命令を並列に効率的に実行することでQOLPを利用する量子スーパースカラー手法を提案する。 どちらの手法もQPUに量子演算を決定論的に発行する。 Shor症候群測定のベンチマークテストでは,提案手法の6コア実装は単一コアと比較して最大2.59$\times$スピードアップを達成した。 様々な標準量子コンピューティングアルゴリズムに対して、我々の超スカラーアプローチはベースライン設計よりも平均4.04$\times$改善を達成する。 最後に,提案したマイクロアーキテクチャを用いて実QPU上で同時ランダム化ベンチマーク(simRB)実験を行った。

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