論文の概要: Design of an FPGA-Based Neutral Atom Rearrangement Accelerator for Quantum Computing
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2411.12401v1
- Date: Tue, 19 Nov 2024 10:38:21 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2024-11-20 13:35:45.844954
- Title: Design of an FPGA-Based Neutral Atom Rearrangement Accelerator for Quantum Computing
- Title（参考訳）: FPGAを用いた量子コンピューティング用中性原子再配置加速器の設計
- Authors: Xiaorang Guo, Jonas Winklmann, Dirk Stober, Amr Elsharkawy, Martin Schulz,
- Abstract要約: ニュートラル原子は量子コンピュータを実装するための有望な技術として登場した。
本稿では,分割・対数戦略を応用し,複数の原子の同時移動を可能にする新しい四分法に基づく再配置アルゴリズムを提案する。
これは原子再構成のための最初のハードウェアアクセラレーションであり、処理時間を著しく短縮する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 1.003635085077511
- License:
- Abstract: Neutral atoms have emerged as a promising technology for implementing quantum computers due to their scalability and long coherence times. However, the execution frequency of neutral atom quantum computers is constrained by image processing procedures, particularly the assembly of defect-free atom arrays, which is a crucial step in preparing qubits (atoms) for execution. To optimize this assembly process, we propose a novel quadrant-based rearrangement algorithm that employs a divide-and-conquer strategy and also enables the simultaneous movement of multiple atoms, even across different columns and rows. We implement the algorithm on FPGA to handle each quadrant independently (hardware-level optimization) while maximizing parallelization. To the best of our knowledge, this is the first hardware acceleration work for atom rearrangement, and it significantly reduces the processing time. This achievement also contributes to the ongoing efforts of tightly integrating quantum accelerators into High-Performance Computing (HPC) systems. Tested on a Zynq RFSoC FPGA at 250 MHz, our hardware implementation is able to complete the rearrangement process of a 30$\times$30 compact target array, derived from a 50$\times$50 initial loaded array, in approximately 1.0 $\mu s$. Compared to a comparable CPU implementation and to state-of-the-art FPGA work, we achieved about 54$\times$ and 300$\times$ speedups in the rearrangement analysis time, respectively. Additionally, the FPGA-based acceleration demonstrates good scalability, allowing for seamless adaptation to varying sizes of the atom array, which makes this algorithm a promising solution for large-scale quantum systems.
- Abstract（参考訳）: ニュートラル原子は、スケーラビリティと長いコヒーレンス時間のために量子コンピュータを実装するための有望な技術として登場した。
しかし、中性原子量子コンピュータの実行頻度は画像処理処理、特に欠陥のない原子配列の組み立てによって制約される。
この組立過程を最適化するために,分割・対数戦略を用いて,異なる列や列にまたがる複数の原子の同時移動を可能にする,新しい四分法に基づく再配置アルゴリズムを提案する。
FPGA上で,並列化を最大化しながら,各クアドラントを独立に(ハードウェアレベルの最適化)処理するアルゴリズムを実装した。
我々の知る限り、これが原子再構成のための最初のハードウェアアクセラレーションであり、処理時間を著しく短縮する。
この成果は、量子加速器を高性能コンピューティング(HPC)システムに密に統合するための継続的な努力にも貢献している。
ハードウェア実装は250MHzのZynq RFSoC FPGA上でテストされ、50$\times$50初期ロード配列から約1.0$\mu s$で30$\times$30コンパクトターゲットアレイの再構成処理を完了できる。
同等の CPU 実装と最先端 FPGA 処理と比較して,我々はそれぞれ,再配置解析時間で 54$\times$ と 300$\times$ のスピードアップを達成した。
さらにFPGAベースの加速度は優れたスケーラビリティを示し、原子配列の様々なサイズへのシームレスな適応を可能にし、このアルゴリズムは大規模量子システムにとって有望な解決策となる。
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