論文の概要: ReQISC: A Reconfigurable Quantum Computer Microarchitecture and Compiler Co-Design

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2511.06746v1
• Date: Mon, 10 Nov 2025 06:19:30 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-11-11 21:18:45.102923
• Title: ReQISC: A Reconfigurable Quantum Computer Microarchitecture and Compiler Co-Design
• Title（参考訳）: ReQISC: 再構成可能な量子コンピュータマイクロアーキテクチャとコンパイラの共同設計
• Authors: Zhaohui Yang, Dawei Ding, Qi Ye, Cupjin Huang, Jianxin Chen, Yuan Xie,
• Abstract要約: 再構成可能な量子命令セットコンピュータ(ReQISC)の概念を導入する。 SU(4)の表現性と、下層のマイクロアーキテクチャによって実現された時間最小性を活用することにより、SU(4)ベースのISAは顕著な性能を達成する。 エンドツーエンドコンパイラでサポートされているReQISCは、従来のCNOT-ISA、SOTAコンパイラ、パルス実装よりも優れている。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 33.798308842813796
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: The performance of current quantum hardware is severely limited. While expanding the quantum ISA with high-fidelity, expressive basis gates is a key path forward, it imposes significant gate calibration overhead and complicates compiler optimization. As a result, even though more powerful ISAs have been designed, their use remains largely conceptual rather than practical. To move beyond these hurdles, we introduce the concept of "reconfigurable quantum instruction set computers" (ReQISC), which incorporates: (1) a unified microarchitecture capable of directly implementing arbitrary 2Q gates equivalently, i.e., SU(4) modulo 1Q rotations, with theoretically optimal gate durations given any 2Q coupling Hamiltonians; (2) a compilation framework tailored to ReQISC primitives for end-to-end synthesis and optimization, comprising a program-aware pass that refines high-level representations, a program-agnostic pass for aggressive circuit-level optimization, and an SU(4)-aware routing pass that minimizes hardware mapping overhead. We detail the hardware implementation to demonstrate the feasibility, in terms of both pulse control and calibration of this superior gate scheme on realistic hardware. By leveraging the expressivity of SU(4) and the time minimality realized by the underlying microarchitecture, the SU(4)-based ISA achieves remarkable performance, with a 4.97-fold reduction in average pulse duration to implement arbitrary 2Q gates, compared to the usual CNOT/CZ scheme on mainstream flux-tunable transmons. Supported by the end-to-end compiler, ReQISC outperforms the conventional CNOT-ISA, SOTA compiler, and pulse implementation counterparts, in significantly reducing 2Q gate counts, circuit depth, pulse duration, qubit mapping overhead, and program fidelity losses. For the first time, ReQISC makes the theoretical benefits of continuous ISAs practically feasible.
• Abstract（参考訳）: 現在の量子ハードウェアの性能は著しく制限されている。 量子ISAを高忠実度で拡張する一方で、表現力のある基底ゲートは大きなゲートキャリブレーションオーバーヘッドを課し、コンパイラの最適化を複雑にする。 結果として、より強力なISAが設計されたとしても、その用途は実用的というよりは概念的なままである。 これらのハードルを超えて、「再構成可能な量子命令セットコンピュータ」(ReQISC)の概念を導入し、(1)任意の2Qゲートを直接実装できる統一マイクロアーキテクチャ、すなわち、SU(4)モジュロ1Qローテーションを理論的に最適に2Q結合ハミルトニアンに与え、(2)高レベルな表現を洗練するプログラム認識パス、アグレッシブな回路レベルの最適化のためのプログラム認識パス、およびハードウェアマッピングオーバーヘッドを最小化するSU(4)対応ルーティングパスを含む、ReQISCプリミティブに適合したコンパイルフレームワークを導入する。 実際のハードウェア上でのこの優れたゲート方式のパルス制御と校正の両面から、実現可能性を示すためのハードウェア実装について詳述する。 SU(4)の表現率と下層のマイクロアーキテクチャによって実現された時間最小性を活用することで、SU(4)ベースのISAは、主流のフラックス可変トランスモン上の通常のCNOT/CZ方式と比較して、平均パルス長を4.97倍に減らし、任意の2Qゲートを実装した。 エンドツーエンドコンパイラによってサポートされているReQISCは、従来のCNOT-ISA、SOTAコンパイラ、パルス実装よりも優れており、2Qゲート数、2Qゲート数、回路深さ、パルス持続時間、キュービットマッピングオーバーヘッド、プログラム忠実度損失を大幅に低減している。 初めてReQISCは連続ISAの理論的利点を実際に実現した。

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