論文の概要: A Framework for Quantum Data Center Emulation Using Digital Quantum Computers

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2509.04029v1
• Date: Thu, 04 Sep 2025 09:04:54 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-09-12 14:16:31.503381
• Title: A Framework for Quantum Data Center Emulation Using Digital Quantum Computers
• Title（参考訳）: デジタル量子コンピュータを用いた量子データセンターエミュレーションのためのフレームワーク
• Authors: Seyed Navid Elyasi, Seyed Morteza Ahmadian, Paolo Monti, Jun Li, Rui Lin,
• Abstract要約: 本稿では,単一量子プロセッサを用いた分散量子コンピューティングシステムをエミュレートするフレームワークを提案する。 本稿では,相互に発生する雑音を定量的に定量化するために,量子衝突力学に基づく実験的な基底雑音モデルを提案する。 このフレームワークはIBMの量子ハードウェアを使って検証されており、リモートゲートの実行が成功したことを実証している。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 4.4249067508724815
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: As quantum computing hardware advances, the limitations of single-chip architectures, particularly in terms of small qubit count, have sparked growing interest in modular quantum computing systems and Quantum Data Centers (QDCs). These architectures interconnect multiple quantum processor units (QPUs) to overcome physical constraints and support complex quantum algorithms. However, the implementation of distributed quantum computing (DQC) faces significant technical challenges, especially in the execution of remote gates. Moreover, no practical emulation tool currently exists to evaluate theoretical proposals of various DQC systems. In this work, we propose a framework that emulates a DQC system using a single quantum processor. We partition the physical qubit coupling map of an existing QPU into multiple logical QPUs, and introduce an experimentally grounded noise model based on quantum collision dynamics to quantify the interconnect-induced noise, representing fiber-connected QPUs. The framework is validated using IBM's quantum hardware, demonstrating the successful execution of remote gates under noisy conditions. Furthermore, we implement distributed versions of Grover's search and the Quantum Fourier Transform (QFT), showing that complex circuits can be executed within the proposed framework with reasonable fidelity across interconnected QPUs. The emulation result of Grover's algorithm aligns with the real-world experimental implementations between two Ion-trapped QPUs interconnected by optical fiber, which demonstrate the feasibility and accuracy of our framework. Overall, this work provides a versatile emulation tool for investigating QDC behavior while accounting for interconnect-induced communication noise and offers a practical method for validating distributed quantum protocols without requiring specialized interconnect hardware.
• Abstract（参考訳）: 量子コンピューティングのハードウェアが進歩するにつれて、シングルチップアーキテクチャの制限、特に小さな量子ビット数では、モジュラー量子コンピューティングシステムや量子データセンター(QDC)への関心が高まっている。 これらのアーキテクチャは、物理的制約を克服し、複雑な量子アルゴリズムをサポートするために、複数の量子プロセッサユニット(QPU)を相互接続する。 しかし、分散量子コンピューティング(DQC)の実装は、特にリモートゲートの実行において重要な技術的課題に直面している。 さらに、様々なDQCシステムの理論的提案を評価するための実用的なエミュレーションツールも存在しない。 本研究では,単一量子プロセッサを用いてDQCシステムをエミュレートするフレームワークを提案する。 既存のQPUの物理量子ビット結合マップを複数の論理QPUに分割し、量子衝突力学に基づく実験的な基底ノイズモデルを導入し、ファイバー接続QPUを表す相互結合ノイズを定量化する。 このフレームワークはIBMの量子ハードウェアを使って検証されており、ノイズの多い条件下でのリモートゲートの実行の成功を実証している。 さらに、Groverの検索と量子フーリエ変換(QFT)の分散バージョンを実装し、複雑な回路を相互接続されたQPU間で妥当な忠実度で提案フレームワーク内で実行可能であることを示す。 Groverのアルゴリズムのエミュレーション結果は、光ファイバーで相互接続された2つのイオントラップQPU間の実世界の実験実装と一致し、我々のフレームワークの実現可能性と精度を示す。 本研究は,相互接続型通信ノイズを考慮したQDC動作の多目的エミュレーションツールを提供し,特殊な相互接続ハードウェアを必要とせずに分散量子プロトコルを検証するための実用的な方法を提供する。

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