面向含噪中尺度量子系统的量子计算机体系结构

Quantum computer can accelerate solving some problems intractable by classical computers, such as quantum chemistry simulation. Quantum computer architecture, i.e. the quantum instruction set architecture (QISA) and quantum control microarchitecture (QCM), bridges the gap between quantum software and hardware. Current quantum computer architecture suffers from limited scalability, limited support for quantum experiments, and cannot support two different quantum technologies. Furthermore, there is no dedicated quantum architecture simulator and benchmark for NISQ technologies, which fact limits the design, development, and verification of QISA and QCM in the NISQ era. ..Targeting NISQ technology, this proposal plans to develop a QISA and corresponding QCM which can seamlessly bridge the gap between quantum software and hardware and support quantum experiments. It mainly consists of four parts: (1) a NISQ-oriented, quantum-technology-independent QSIA which can control from 50 to 100 qubits; (2) a QCM that can support two different quantum technologies; (3) a quantum architecture simulator; and (4) a benchmark for NISQ technologies. The outcome of this research is expected to augment the control over NISQ systems, enhance the qubit usage efficiency, accelerate building a fully-programmable NISQ computer, and boost the research and development on quantum computer architecture.

量子计算机可加速解决一些传统计算机难以解决的问题，如量子化学模拟。量子计算机体系结构可用于耦合量子软件与量子硬件。但现有的量子计算机体系结构面临对量子实验支持有限、扩展性受限、无法控制两种不同的量子技术等问题。另外，还没有专用于面向含噪中尺度量子技术(NISQ)技术的量子体系结构模拟器和测试基准应用集，这很大程度上制约了面向NISQ技术的QISA和QCM设计、开发和验证。..面向NISQ技术，本项目拟研究一个可有机连接量子软硬件、支持量子实验的量子计算机体系结构。它主要包含如下内容：一套可控制50到100个量子比特的QISA、一个可控制至少两种不同的量子技术的QCM、一个量子体系结构模拟器和一套测试基准应用集。本项目有望提升对NISQ系统的控制能力和量子比特的使用效率、推进可编程的量子计算机的构建、加速量子计算机体系结构的研发。

本项目主要有四个研究点：(1) 面向NISQ技术但与具体量子技术独立的量子计算指令集，（2）量子控制微体系结构，（3）量子体系结构模拟器，和（4）测试基准应用集。本项目顺利完成了该四个目标。..基于eQASM的不足，基于RISC-V开源指令集添加量子控制扩展，提出下一代量子控制指令集。该指令集通过经典辅助指令支持基于测量结果的反馈控制、显式支持量子操作的时序控制、可扩展至控制上百量子比特、具有较低的硬件实现复杂度。..本项目实现了量子控制体系结构模拟器CACTUS来研究量子控制微体系结构的设计空间。CACTUS是采用SystemC软硬件协同建模语言实现的一个量子控制微体系结构模拟器，具备从功能层面和周期精确层面仿真体系结构的实现。CACTUS开发了统一的接口完成QuantumSim和QICircuit两个量子状态模拟器的对接，可输出内部关键节点信息，以验证体系结构实现的正确性。经仿真，我们选定一个微体系结构实现方案，并在基于FPGA的核心控制器上进行实现并帮助实验人员进行量子实验。..我们改进了开源测控软件Quantify，完成了核心控制器和AWG等模拟设备的对接，验证了采用指令集控制量子操作的可行性。..为研究量子-经典异构计算框架下量子软硬件的融合协作，我们提出了Quingo量子-经典混合编程框架并开发其运行时系统，可管理经典程序、量子程序的生命周期并支持量子软硬件的协作。Quingo为打造自主可控的量子软件生态环境提供了一个新的候选。目前已有国内外多个量子计算软硬件团队与Quingo团队合作，共同开发Quingo语言生态。..我们还提供了一组基于Quingo和量子汇编的基准测试集，包含了量子算法和量子实验。..本项目产出研究论文3篇，实现了开源软件共6个，专利3项。项目负责人做学术报告2次，组织学术会议4次。