論文の概要: Qu-Trefoil: Large-Scale Quantum Circuit Simulator Working on FPGA With SATA Storages

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2608.14285v1
• Date: Fri, 14 Aug 2026 13:10:18 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-08-17 20:14:29.386834
• Title: Qu-Trefoil: Large-Scale Quantum Circuit Simulator Working on FPGA With SATA Storages
• Title（参考訳）: Qu-Trefoil: SATAストレージを用いたFPGAで動作する大規模量子回路シミュレータ
• Abstract要約: Qu-TrefoilはFPGAベースのプラットフォーム上での大規模量子回路シミュレーションのために設計されたシステムである。 43量子ビット以上で128TB以上のメモリを必要とする量子回路のシミュレーションに成功した。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 2.0225826789157404
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Quantum circuits are fundamental components of quantum computing, and state-vector-based quantum circuit simulation is a widely used technique for tracking qubit behavior throughout circuit evolution. However, simulating a circuit with $n$ qubits requires $2^{n+4}$ bytes of memory, making simulations of more than 40 qubits feasible only on supercomputers. To address this limitation, we propose the Qu-Trefoil, a system designed for large-scale quantum circuit simulations on an FPGA-based platform called Trefoil. Trefoil is a multi-FPGA system connected to eight storage subsystems, each equipped with 32 SATA disks. Qu-Trefoil integrates a suite of HLS-based universal quantum gates, including Clifford gates (Hadamard (H), Pauli-Z (Z), Phase (S), Controlled-NOT (CNOT)), the T gate, and unitary matrix computation, along with HDL-designed modules for system-wide integration. Our extensive evaluation demonstrates the system's robustness and flexibility, covering quantum gate performance, chunk size, disk extensibility, and efficiency across different SATA generations. We successfully simulated quantum circuits with over 43 qubits, which required more than 128 TB of memory, in approximately 3.72 to 13.06 hours on a single storage subsystem equipped with one FPGA. This achievement represents a significant milestone in the advancement of quantum computing simulations. Furthermore, thanks to its unique architecture, Qu-Trefoil is more accessible, flexible, and cost-efficient than other existing simulators for large-scale quantum circuit simulations, making it a viable option for researchers with limited access to supercomputers.
• Abstract（参考訳）: 量子回路は量子コンピューティングの基本的な構成要素であり、状態ベクトルに基づく量子回路シミュレーションは、回路の進化を通して量子ビットの挙動を追跡するために広く使われている手法である。 しかし、$n$ qubitsで回路をシミュレートするには、2^{n+4}$ バイトのメモリが必要であり、スーパーコンピュータでのみ40キュービット以上のシミュレーションが可能である。 この制限に対処するために、Trefoilと呼ばれるFPGAベースのプラットフォーム上での大規模量子回路シミュレーション用に設計されたQu-Trefoilを提案する。 Trefoilは8つのストレージサブシステムに接続されたマルチFPGAシステムであり、それぞれ32のSATAディスクを備えている。 Qu-Trefoilは、クリフォードゲート(Hadamard (H), Pauli-Z (Z), Phase (S), Controlled-NOT (CNOT))、Tゲート、ユニタリ行列計算を含むHLSベースの普遍量子ゲートと、システム全体の統合のためのHDL設計モジュールを統合している。 我々の広範な評価は、量子ゲート性能、チャンクサイズ、ディスク拡張性、SATA世代間での効率性を網羅し、システムの堅牢性と柔軟性を実証している。 我々は、1つのFPGAを搭載した単一ストレージサブシステムにおいて、128TB以上のメモリを必要とする43量子ビットの量子回路を約3.72～13.06時間でシミュレートした。 この成果は、量子コンピューティングシミュレーションの進歩における重要なマイルストーンである。 さらに、そのユニークなアーキテクチャのおかげで、Qu-Trefoilは大規模量子回路シミュレーションのための既存のシミュレータよりもアクセスしやすく、柔軟性があり、コスト効率が高い。

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