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一种面向含噪中尺度量子技术的量子-经典异构计算系统.docx
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一种面向含噪中尺度量子技术的量子-经典异构计算系统.docx
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![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/85601859/bg1.jpg)
摘 要 量子计算有望加速解决经典计算难以解决的问题,如质因子分解、
量子化学模拟等已有单个量子系统可集成大于 个含噪声的固态量
子比特,并在特定的计算任务上超越了经典计算机,标志含噪中尺度
量子计算时代的到来
随着人们可在单个系统中集成越来越多的量子比特,如何将量子比特
与控制硬件、软件开发环境、经典计算资源集成得到完整可用的量子
计算系统,是一个有待进一步明确的问题对比了量子计算与经典计算
在控制及执行上的异同,并在此基础上提出了面向 时代的量子
经典异构系统以一个典型的 算法迭代相位估计算法为例,介
绍了量子算法从软件描述到硬件执行的整体流程,及与该过程相关的
高级程序设计语言、编译器、量子软硬件接口和硬件等在此基础上,
讨论了流程中各个层次在 时代面临的挑战旨在从工程实现的视
角,从宏观层面为读者尤其是量子计算初学者介绍量子计算系统,
希望可以促进人们对 时代下量子计算系统整体结构的理解,并
激发更多相关研究
关键词 量子计算;量子程序设计语言;量子编译;量子计算体系结构;
含噪中尺度量子
年谷歌通过利用 个超导量子比特执行随机量子线路采样
任务
!
, 年中国科学技术大学通过利用 "# 光子执行玻色采样任
务
!
,展示出量子计算机在某些特定问题上超越经典计算机的能力,实
现了量子优越性
$!
,标志着含噪中尺度量子
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/85601859/bg2.jpg)
时代
!
的到来 技术指量子系统中可集成
至数百个含噪声量子比特的技术 时代下,量子比特的相干时
间非常短暂,且量子操作的错误率仍然可观以超导量子比特为例,已
实证的适合大规模集成的超导量子比特相干时间仅有数十至数百微秒
#!
;虽然单量子比特门的错误率可低于 %,但两量子比特门和量子
测量的错误率尚难以在每个量子比特对上均低于 %
!
受限于量子
比特的数量、相干时间和量子操作的错误率, 技术无法通过量子
容错技术
!
支持长时间的量子状态演化来求解实际的问题
为了加速量子计算的落地,一种思路是在比量子比特尚未退相干
之前完成量子算法所需的量子状态演化,从而使量子噪声或错误不至
于积累到完全破坏计算结果已有工作提出了一系列有望在近期得到实
证 的 量 子 算 法 , 如 变 分 量 子 本 征 值 求 解 &
'&()
!
、 迭 代 相 位 估 计 & *+
,)
$#!
、量子近似优化算法 **-
*. '+/0/
"!
、 变 分 量 子 模 拟 &
(
1!
等这些算法运行过程中,量子比特每
次从初始化到最终测量所需的时间相对较短,降低了对量子比特相干
时间的要求,为利用 技术解决实际问题提供了可能
这些算法的关键共同点是深度结合了量子计算与经典计算例如,
() 算法使用量子处理器测量参数化量子态2ψθ
k
〉在目标哈密顿量
下的能量 E
k
使用经典处理器运行优化算法,根据 E
k
搜索下一组参数
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/85601859/bg3.jpg)
θ
k3
,并通过二者间的迭代逼近 的基态2ψ
g
〉,从而估计 的基态能量
E
g
.另一个例子是 ,) 算法,) 算法执行过程中,量子测量的结果会被
用于实时计算数百纳秒后的一个旋转门的角度
$#!
如果说 () 算法仅
需将量子计算与离线的经典计算结合起来经典计算发生时,量子状态
不需要得到维持,那么 ,) 算法则需要实时或在线地结合量子计算
和经典计算经典计算发生于量子状态演化过程中量子经典异构计算
是 时代量子应用的第 个特点
时代量子应用的第 个特点是在应用层需直接控制量子计算
硬件的部分执行细节一方面,由于 量子比特天然含噪的特性,
用于校准量子比特和量子操作相关参数的量子实验会定期反复地进行
这些实验需直接控制施加在量子比特上的模拟波形,或精确控制操作
发生的时序另一方面,由于 时代下的量子计算机性能有限,特
定的量子计算机用户会希望直接控制量子操作的波形和时序,从而面
向具体硬件优化量子程序达到最优性能实现量子经典异构计算并支持
用户在应用层控制量子计算硬件的部分执行细节,需要程序设计语言
编译器、体系结构等多个层次的支持及各层次之间的配合
明确量子计算机的系统结构是指导量子软硬件设计并将其集成为
一个系统的必要条件基于线路模型,之前的工作提出了若干量子计算
机系统结构设计构想,讨论量子计算从软件到硬件的层次划分及层次
间的协同方式
!
但这些层次结构主要面向大规模容错量子计算机,强
调通过层层抽象及逐级优化,使量子算法以容错的方式在硬件上执行
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/85601859/bg4.jpg)
这些设计构想中,有些虽然提到了量子计算与经典计算的结合,但并
未具体地讨论量子计算资源和经典计算资源的组织方式同时,这些构
想中不考虑或较少考虑如何将与波形和时序等硬件相关的低级控制能
力以一种可编程的方式暴露给顶层软件因此,现有的量子计算系统结
构设计构想在指导 系统的实现上有所不足本文比较量子计算与
经典计算的异同,并以工程化视角回顾量子计算系统的层次结构面向
时代的量子经典异构计算,本文以青果框架
$!
为例概述量子计算
软硬件系统的组织方式,并分别介绍高级量子程序设计语言、量子编
译器、量子软硬件接口、量子控制微体系结构等层次的主要任务最后,
我们简要探讨程序设计语言、编译和控制体系结构等方面在 技
术条件下面临的挑战
1 背 景
本节介绍量子计算的基本数学原理在此基础上,以 ,) 为例介绍
量子算法的基本构成并以超导量子比特为例介绍量子比特的物理实现
及其控制
1.1 量子计算基础
比特是经典计算机的基本单元,一个比特在确定的时刻只能处于
种互斥的基本状态中的一种量子比特44是量
子计算机的基本单元量子比特有 种基本状态2〉和2〉与经典比特
不同 , 量 子 比 特能 够 同 时 处于 2〉和 2 〉的叠 加 态 中 ,表 示 为 2
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/85601859/bg5.jpg)
ψ〉5α2〉3β2〉,或者一个长度为 的向量α,β
6
,其中 αβ7
且满足归一化条件2α2
32β2
5.这种现象称之为量子叠加.在归一化条
件下,2ψ〉可被重写为 由于在物理上没有可观
测的效果,全局相位
γ
可被忽略.这样,单个量子比特的状态可形象化
地表示为 8+ 球面上的一个点,如图 所示.
9'6+8+*++*'4
图
可表示单个量子比特状态的
8+
球面
量子计算中,n 个量子比特可处于
n
个基本状态的叠加中,即
其中 c
i
7 且 换言之,n 个量子比特可同时存
储
n
个数据,相较于 n 个经典比特只能存储一份确定的 n 比特数据,
量子系统的存储空间维度随量子比特数目 n 的增加而指数增长,这是
实现量子计算优越性的第 个理论基础.注意,量子比特可以纠缠在一
起,此时,状态 无法分解为独立的量子比特状态的积的形
式.
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