基于光镊的中性原子量子计算机的高并行原子检测加速器
量子物理
2026-04-02 v1 硬件体系结构
摘要
中性原子量子计算机（NAQC）是最有前景的量子计算平台之一。控制和测量单个原子及其状态通常需要多次成像和图像分析程序，这通常是计算过程中最耗时的任务，并对整体循环时间贡献显著。为解决这一挑战，我们提出了一种面向光镊式NAQC的高并行原子检测加速器。我们的设计基于一种现有的态重建方法，并结合算法级优化与现场可编程门阵列（FPGA）实现，以最大化并行性并减少图像分析的运行时间。我们识别并克服了FPGA实现的若干挑战，例如引入预取机制以提高可扩展性，以及定制总线传输以支持大带宽。在Xilinx UltraScale+ FPGA上测试，我们的设计仅需115微秒即可分析一张256×256像素的荧光图像，相比原始CPU基线和优化后的CPU基线分别实现34.9倍和6.3倍加速。此外，我们的加速器可在不同原子阵列规模下保持一致的资源利用率，为NAQC的持续努力做出贡献，推动面向NAQC的可扩展且完全集成的FPGA控制系统。
引用
@article{arxiv.2604.00816,
title = {Highly-Parallel Atom-Detection Accelerator for Tweezer-Based Neutral Atom Quantum Computers},
author = {Jonas Winklmann and Yian Yu and Xiaorang Guo and Korbinian Staudacher and Martin Schulz},
journal= {arXiv preprint arXiv:2604.00816},
year = {2026}
}
备注
Accepted for 63rd ACM/IEEE Design Automation Conference (DAC 26)