論文の概要: Towards System-Level Quantum-Accelerator Integration

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2507.19212v1
• Date: Fri, 25 Jul 2025 12:30:42 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-07-28 16:16:48.954351
• Title: Towards System-Level Quantum-Accelerator Integration
• Title（参考訳）: システムレベル量子加速器の統合に向けて
• Authors: Ralf Ramsauer, Wolfgang Mauerer,
• Abstract要約: 本稿では,量子加速器と処理ユニットを周辺システムコンポーネントとして扱う垂直統合量子システムアーキテクチャを提案する。 中心となる要素は、オペレーティングシステムのカーネルレベルでの量子抽象層(QAL)である。 本稿では,QEMUに基づく仮想QPUモデルを含む,このような統合アーキテクチャに向けた最初の結果を示す。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 3.4486179803947254
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Quantum computers are often treated as experimental add-ons that are loosely coupled to classical infrastructure through high-level interpreted languages and cloud-like orchestration. However, future deployments in both, high-performance computing (HPC) and embedded environments, will demand tighter integration for lower latencies, stronger determinism, and architectural consistency, as well as to implement error correction and other tasks that require tight quantum-classical interaction as generically as possible. We propose a vertically integrated quantum systems architecture that treats quantum accelerators and processing units as peripheral system components. A central element is the Quantum Abstraction Layer (QAL) at operating system kernel level. It aims at real-time, low-latency, and high-throughput interaction between quantum and classical resources, as well as robust low-level quantum operations scheduling and generic resource management. It can serve as blueprint for orchestration of low-level computational components "around" a QPU (and inside a quantum computer), and across different modalities. We present first results towards such an integrated architecture, including a virtual QPU model based on QEMU. The architecture is validated through functional emulation on three base architectures (x86_64, ARM64, and RISC-V), and timing-accurate FPGA-based simulations. This allows for a realistic evaluation of hybrid system performance and quantum advantage scenarios. Our work lays the ground for a system-level co-design methodology tailored for the next generation of quantum-classical computing.
• Abstract（参考訳）: 量子コンピュータは、しばしば実験的なアドオンとして扱われ、高レベルなインタプリタ言語やクラウドのようなオーケストレーションを通じて古典的なインフラと疎結合である。 しかし、ハイパフォーマンスコンピューティング(HPC)と組込み環境の両方における将来の展開は、より低いレイテンシ、より強い決定性、アーキテクチャの一貫性のためにより緊密な統合を要求するとともに、可能な限り厳密な量子-古典的相互作用を必要とするエラー修正やその他のタスクを実装することを要求する。 本稿では,量子加速器と処理ユニットを周辺システムコンポーネントとして扱う垂直統合量子システムアーキテクチャを提案する。 中心となる要素は、オペレーティングシステムのカーネルレベルでの量子抽象層(QAL)である。 量子リソースと古典的リソース間のリアルタイム、低レイテンシ、高スループットの相互作用、ロバストな低レベルの量子演算スケジューリングとジェネリックリソース管理を目標としている。 QPU(および量子コンピュータ内部)の「周辺」で低レベルの計算コンポーネントをオーケストレーションし、異なるモダリティをまたいだブループリントとして機能する。 本稿では,QEMUに基づく仮想QPUモデルを含む,このような統合アーキテクチャに向けた最初の結果を示す。 このアーキテクチャは、3つの基本アーキテクチャ(x86_64, ARM64, RISC-V)とタイミング精度FPGAに基づくシミュレーションによって検証される。 これにより、ハイブリッドシステムのパフォーマンスと量子アドバンテージシナリオの現実的な評価が可能になる。 我々の研究は、次世代の量子古典計算に適したシステムレベルの共同設計手法の基礎を築いた。

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