C3-VQA：用于变分量子算法的低温计数型协处理器
量子物理
2024-12-30 v1 硬件体系结构
新兴技术
摘要
低温量子计算机在展示量子优势方面发挥着主导作用。鉴于低温环境对制冷能力的严格限制，热设计对于这些计算机的可扩展性至关重要。散热来源包括通过跨温度层导线的被动热流入以及位于低温恒温器内组件（如导线放大器和量子-经典接口）的功耗。因此，一个关键挑战是在维持低温恒温器内最小额外功耗的同时，通过减少所需的跨温度层带宽来降低导线数量。解决这一挑战的一种方案是在低温恒温器内使用超低功耗计算逻辑进行近数据处理。基于针对变分量子算法（VQAs）的工作负载分析和领域专用系统设计，我们提出了用于 VQAs 的低温计数型协处理器（C3-VQA），以提升低温量子计算机在热约束下的设计可扩展性。C3-VQA 采用单磁通量子逻辑，这是一种运行于 4 K 环境的超低功耗超导数字电路。C3-VQA 在低温恒温器内利用简单的位操作单元和计数器预计算 VQAs 的部分期望值并缓存中间值，从而以较小的额外功耗降低所需的跨温度层带宽。因此，C3-VQA 减少了导线数量，进而降低了低温恒温器内的总散热量。我们的评估表明，在顺序执行和并行执行场景下，C3-VQA 分别将 4 K 阶段的总散热量降低了 30% 和 81%。此外，量子化学中的案例研究表明，对于 10,000 量子比特系统，C3-VQA 将总散热量降低了 87%。
引用
@article{arxiv.2409.07847,
title = {C3-VQA: Cryogenic Counter-based Co-processor for Variational Quantum Algorithms},
author = {Yosuke Ueno and Satoshi Imamura and Yuna Tomida and Teruo Tanimoto and Masamitsu Tanaka and Yutaka Tabuchi and Koji Inoue and Hiroshi Nakamura},
journal= {arXiv preprint arXiv:2409.07847},
year = {2024}
}
备注
15 pages, 9 figures, 5 tables. This is an extention of arXiv:2403.00363 and arXiv:2310.01630