論文の概要: MultiQ: Multi-Programming Neutral Atom Quantum Architectures

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2601.08504v1
• Date: Tue, 13 Jan 2026 12:40:00 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-01-14 18:27:19.197769
• Title: MultiQ: Multi-Programming Neutral Atom Quantum Architectures
• Title（参考訳）: MultiQ: マルチプログラミングニュートラル原子量子アーキテクチャ
• Authors: Francisco Romão, Daniel Vonk, Emmanuil Giortamis, Pramod Bhatotia,
• Abstract要約: MultiQは、回路を$textitvirtual Zoneレイアウトに論理的にコンパイルし、キュー時間ハードウェアの利用を最適化する。 これはコロケーション回路の実行を並列化し、単一のハードウェア命令を異なる回路で動作させることができる。 バンドル回路の機能的独立性を検証するアルゴリズムを含む。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 1.0319617845809865
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Neutral atom Quantum Processing Units (QPUs) are emerging as a popular quantum computing technology due to their large qubit counts and flexible connectivity. However, performance challenges arise as large circuits experience significant fidelity drops, while small circuits underutilize hardware and face initialization latency issues. To tackle these problems, we propose $\textit{multi-programming on neutral atom QPUs}$, allowing the co-execution of multiple circuits by logically partitioning the qubit array. This approach increases resource utilization and mitigates initialization latency while maintaining result fidelity. Currently, state-of-the-art compilers for neutral atom architectures do not support multi-programming. To fill this gap, we introduce MultiQ, the first system designed for this purpose. MultiQ addresses three main challenges: (i) it compiles circuits into a $\textit{virtual zone layout}$ to optimize spatio-temporal hardware utilization; (ii) it parallelizes the execution of co-located circuits, allowing single hardware instructions to operate on different circuits; and (iii) it includes an algorithm to verify the functional independence of the bundled circuits. MultiQ functions as a cross-layer system comprising a compiler, controller, and checker. Our compiler generates \emph{virtual zone layouts} to enhance performance, while the controller efficiently maps these layouts onto the hardware and resolves any conflicts. The checker ensures the correct bundling of circuits. Experimental results show a throughput increase from 3.8$\times$ to 12.3$\times$ when multi-programming 4 to 14 circuits, with fidelity largely maintained, ranging from a 1.3% improvement for four circuits to only a 3.5% loss for fourteen circuits. Overall, MultiQ facilitates concurrent execution of multiple quantum circuits, boosting throughput and hardware utilization.
• Abstract（参考訳）: ニュートラル原子量子処理ユニット(QPU)は、大きな量子ビット数と柔軟な接続性のために、一般的な量子コンピューティング技術として出現している。 しかし、大きな回路が顕著な忠実度低下を経験し、小さな回路がハードウェアを弱め、初期化遅延の問題に直面しているため、性能上の問題が発生する。 これらの問題に対処するために、中立原子 QPUs}$ 上で $\textit{multi-gramming を提案し、量子ビットアレイを論理的に分割することで、複数の回路の協調実行を可能にする。 このアプローチはリソース使用量を増やし、結果の忠実さを維持しながら初期化遅延を軽減する。 現在、中性原子アーキテクチャの最先端コンパイラはマルチプログラミングをサポートしていない。 このギャップを埋めるために、この目的のために設計された最初のシステムであるMultiQを紹介する。 MultiQは3つの課題に対処する。 (i)回路を$\textit{virtual zone layout}$にコンパイルし、時空間ハードウェアの利用を最適化する。 (ii)コロケーション回路の実行を並列化し、単一のハードウェア命令を異なる回路で動作させることができる。 (iii)バンドル回路の機能的独立性を検証するアルゴリズムを含む。 MultiQは、コンパイラ、コントローラ、チェッカーで構成される層間システムとして機能する。 我々のコンパイラは性能を高めるために 'emph{virtual zone layouts' を生成し、コントローラはこれらのレイアウトをハードウェアに効率的にマッピングし、競合を解決する。 チェッカーは、回路の正しいバンドルを保証する。 実験の結果、スループットが3.8$\times$から12.3$\times$に向上し、4つの回路の1.3%の改善から14の回路の3.5%の損失に留まった。 全体として、MultiQは複数の量子回路の同時実行、スループットの向上、ハードウェア利用を促進する。

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