DigiQ：一种基于 SFQ 逻辑的可扩展量子计算机数字控制器
量子物理
2022-02-04 v1
摘要
在当今超导量子计算机原型中，对低温量子比特的控制面临显著的可扩展性挑战，因为需要从室温下的经典控制器向稀释制冷机内的量子芯片发送模拟控制信号，其生成与布线成本巨大。因此，工业界与学术界的研究人员致力于设计制冷机内的经典控制器以缓解这些挑战。超导单磁通量子（SFQ）是一种被提议用于大规模制冷机内控制器的经典逻辑系列。SFQ 逻辑凭借其超高速与极低功耗，有潜力最大化可扩展性。然而，由于其非常规的脉冲驱动特性以及缺乏高密度存储与逻辑，SFQ 逻辑的架构设计存在挑战。因此，架构层面的研究对于指导架构师设计基于 SFQ 的大规模量子机器经典控制器至关重要。本文中，我们提出 DigiQ，首个对含噪声中等规模量子（NISQ）友好的基于 SFQ 的经典控制器的系统级设计。我们对基于 SFQ 的控制器进行设计空间探索，并协同设计量子门分解及其基于 SFQ 的实现，以找到一个最优的 SFQ 友好设计点，在用面积与功耗换取延迟与控制的同时确保良好的量子算法性能。我们的协同设计产生了一种单指令多数据（SIMD）控制器架构，其具有高度可扩展性（>42,000 量子比特规模），但对控制脉冲的校准提出了新挑战。我们提出软件层面的解决方案以应对这些挑战，若不加解决，鉴于量子比特硬件的不完美性，会降低量子电路保真度。
引用
@article{arxiv.2202.01407,
title = {DigiQ: A Scalable Digital Controller for Quantum Computers Using SFQ Logic},
author = {Mohammad Reza Jokar and Richard Rines and Ghasem Pasandi and Haolin Cong and Adam Holmes and Yunong Shi and Massoud Pedram and Frederic T. Chong},
journal= {arXiv preprint arXiv:2202.01407},
year = {2022}
}