論文の概要: DigiQ: A Scalable Digital Controller for Quantum Computers Using SFQ Logic

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2202.01407v1
• Date: Thu, 3 Feb 2022 04:52:14 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-02-26 23:13:48.868321
• Title: DigiQ: A Scalable Digital Controller for Quantum Computers Using SFQ Logic
• Title（参考訳）: DigiQ:SFQ論理を用いた量子コンピュータ用スケーラブルデジタルコントローラ
• Authors: Mohammad Reza Jokar, Richard Rines, Ghasem Pasandi, Haolin Cong, Adam Holmes, Yunong Shi, Massoud Pedram, Frederic T. Chong
• Abstract要約: Superconducting Single Flux Quantum (SFQ) は、大規模なイン冷蔵庫コントローラ向けに提案された古典論理系である。 SFQロジックは、超高速で消費電力の少ないため、スケーラビリティを最大化する可能性がある。 本稿では,NISQ(Noisy Intermediate Scale Quantum)を用いたSFQベースの古典型コントローラの最初のシステムレベル設計であるDigiQを紹介する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 6.234704484346984
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: The control of cryogenic qubits in today's superconducting quantum computer prototypes presents significant scalability challenges due to the massive costs of generating/routing the analog control signals that need to be sent from a classical controller at room temperature to the quantum chip inside the dilution refrigerator. Thus, researchers in industry and academia have focused on designing in-fridge classical controllers in order to mitigate these challenges. Superconducting Single Flux Quantum (SFQ) is a classical logic family proposed for large-scale in-fridge controllers. SFQ logic has the potential to maximize scalability thanks to its ultra-high speed and very low power consumption. However, architecture design for SFQ logic poses challenges due to its unconventional pulse-driven nature and lack of dense memory and logic. Thus, research at the architecture level is essential to guide architects to design SFQ-based classical controllers for large-scale quantum machines. In this paper, we present DigiQ, the first system-level design of a Noisy Intermediate Scale Quantum (NISQ)-friendly SFQ-based classical controller. We perform a design space exploration of SFQ-based controllers and co-design the quantum gate decompositions and SFQ-based implementation of those decompositions to find an optimal SFQ-friendly design point that trades area and power for latency and control while ensuring good quantum algorithmic performance. Our co-design results in a single instruction, multiple data (SIMD) controller architecture, which has high scalability (>42,000-qubit scales), but imposes new challenges on the calibration of control pulses. We present software-level solutions to address these challenges, which if unaddressed would degrade quantum circuit fidelity given the imperfections of qubit hardware.
• Abstract（参考訳）: 今日の超伝導量子コンピュータのプロトタイプにおける低温量子ビットの制御は、室内温度で古典的なコントローラから希釈冷凍機内の量子チップに送信されるアナログ制御信号を生成・出力する膨大なコストのために、大きなスケーラビリティ上の課題を示す。 このように、産業とアカデミアの研究者は、これらの課題を軽減するために冷蔵庫内のクラシックコントローラの設計に注力している。 Superconducting Single Flux Quantum (SFQ) は、大規模なイン冷蔵庫コントローラ向けに提案された古典論理系である。 SFQロジックは、超高速で消費電力の少ないため、スケーラビリティを最大化する可能性がある。 しかし、SFQ論理のアーキテクチャ設計は、非伝統的なパルス駆動の性質と高密度メモリとロジックの欠如により、課題を提起する。 したがって、アーキテクチャレベルでの研究は、建築家が大規模量子マシンのためのsfqベースのクラシックコントローラを設計するのを導くのに不可欠である。 本稿では、NISQ(Noisy Intermediate Scale Quantum)を用いたSFQベースの古典型コントローラの最初のシステムレベル設計であるDigiQを提案する。 我々は,sfqベースのコントローラの設計空間を探索し,量子ゲート分解とsfqに基づくそれらの分解の実装を共設計し,領域と電力を最適な設計点とし,優れた量子アルゴリズム性能を確保しつつ,レイテンシと制御に切り替える。 我々の共同設計により、単一の命令、複数データ(SIMD)コントローラアーキテクチャが実現され、高いスケーラビリティ(>42,000キュービットスケール)を持つが、制御パルスの校正に新たな課題が課される。 これらの課題に対処するソフトウェアレベルのソリューションを提案する。量子ビットハードウェアの不完全性を考えると、非適応型では量子回路の忠実度が低下する。

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