論文の概要: C3-VQA: Cryogenic Counter-based Co-processor for Variational Quantum Algorithms

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2409.07847v1
• Date: Thu, 12 Sep 2024 08:47:44 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2024-09-13 17:18:01.267692
• Title: C3-VQA: Cryogenic Counter-based Co-processor for Variational Quantum Algorithms
• Title（参考訳）: C3-VQA:変分量子アルゴリズムのための低温カウンタベースコプロセッサ
• Authors: Yosuke Ueno, Satoshi Imamura, Yuna Tomida, Teruo Tanimoto, Masamitsu Tanaka, Yutaka Tabuchi, Koji Inoue, Hiroshi Nakamura,
• Abstract要約: 極低温量子コンピュータは量子優位性を示す主要な役割を担っている。 低温環境における冷却能力の厳しい制約を考えると、これらのコンピュータのスケーラビリティには熱設計が不可欠である。 1つの解決策は、クライオスタット内の超低消費電力計算論理を用いたニアデータ処理である。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 2.8993184117177337
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Cryogenic quantum computers play a leading role in demonstrating quantum advantage. Given the severe constraints on the cooling capacity in cryogenic environments, thermal design is crucial for the scalability of these computers. The sources of heat dissipation include passive inflow via inter-temperature wires and the power consumption of components located in the cryostat, such as wire amplifiers and quantum-classical interfaces. Thus, a critical challenge is to reduce the number of wires by reducing the required inter-temperature bandwidth while maintaining minimal additional power consumption in the cryostat. One solution to address this challenge is near-data processing using ultra-low-power computational logic within the cryostat. Based on the workload analysis and domain-specific system design focused on Variational Quantum Algorithms (VQAs), we propose the Cryogenic Counter-based Co-processor for VQAs (C3-VQA) to enhance the design scalability of cryogenic quantum computers under the thermal constraint. The C3-VQA utilizes single-flux-quantum logic, which is an ultra-low-power superconducting digital circuit that operates at the 4 K environment. The C3-VQA precomputes a part of the expectation value calculations for VQAs and buffers intermediate values using simple bit operation units and counters in the cryostat, thereby reducing the required inter-temperature bandwidth with small additional power consumption. Consequently, the C3-VQA reduces the number of wires, leading to a reduction in the total heat dissipation in the cryostat. Our evaluation shows that the C3-VQA reduces the total heat dissipation at the 4 K stage by 30% and 81% under sequential-shot and parallel-shot execution scenarios, respectively. Furthermore, a case study in quantum chemistry shows that the C3-VQA reduces total heat dissipation by 87% with a 10,000-qubit system.
• Abstract（参考訳）: 極低温量子コンピュータは量子優位性を示す主要な役割を担っている。 低温環境における冷却能力の厳しい制約を考えると、これらのコンピュータのスケーラビリティには熱設計が不可欠である。 熱散逸の原因には、温度間ワイヤによる受動的流入や、ワイヤ増幅器や量子古典的インタフェースなど、クライオスタット内にあるコンポーネントの消費電力が含まれる。 したがって、クライオスタットの電力消費を最小限に抑えつつ、必要な温度間帯域幅を減らし、配線数を減らすことが重要な課題である。 この課題に対処する解決策の1つは、クライオスタット内の超低消費電力計算論理を用いたニアデータ処理である。 変分量子アルゴリズム(VQA)に着目した負荷解析とドメイン固有のシステム設計に基づいて,温度制約下での低温量子コンピュータの設計スケーラビリティを高めるために,VQA(C3-VQA)のためのCryogenic Counter-based Co-processorを提案する。 C3-VQAは4K環境で動作する超低消費電力超伝導デジタル回路である単一磁束量子論理を用いる。 C3−VQAは、VQAの期待値計算の一部をプリ計算し、簡単なビット演算ユニットとクライオスタットのカウンタを用いて中間値をバッファし、必要な温度間帯域幅を最小限の電力消費で削減する。 その結果、C3-VQAはワイヤの数を減らし、クライオスタットの総放熱量を減少させる。 評価の結果,C3-VQAはシーケンシャルショットおよび並列ショット実行シナリオにおいて,4Kステージにおける全放熱量を30%,81%削減することがわかった。 さらに、量子化学におけるケーススタディでは、C3-VQAは10,000量子ビット系で全放熱を87%減少させる。

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