量子扩展配方：ARQUIN 提供模拟分布式量子计算系统的框架

稀释制冷机可保持超导量子比特低温。图片来源：Andrea Starr |太平洋西北国家实验室

量子计算最困难的问题之一与增加量子计算机的规模有关。全球的研究人员都在寻求解决这一“规模挑战”。

为了使量子缩放更接近现实，来自 14 个机构的研究人员通过量子优势协同设计中心 （C2QA）、能源部 （DOE）、科学办公室、国家量子信息科学研究中心进行合作。他们共同构建了 ARQUIN 框架，这是一个将大规模分布式量子计算机模拟为不同层的管道。他们的结果发表在 ACM Transactions on Quantum Computing 上。

连接量子比特

由布鲁克海文国家实验室和麻省理工学院 （MIT） 的 Michael DeMarco 领导的研究团队从将多个计算“节点”组合到一个统一计算框架中的标准计算策略开始。

从理论上讲，可以模拟这种多节点系统来增强量子计算机，但有一个问题。在超导量子系统中，量子比特必须保持极冷的状态。这通常是在称为稀释冰箱的低温装置的帮助下完成的。问题在于，在单个冰箱中将量子计算芯片扩展到足够大的尺寸是很困难的。

即使在较大的冰箱中，单个芯片内的超导电路也变得难以维护。为了创建强大的多节点量子计算机，研究人员不仅需要连接一个稀释冰箱内的节点，还需要连接多个稀释冰箱中的节点。

组装量子成分

没有一个机构可以开展 ARQUIN 框架所需的全部研究。ARQUIN 团队包括来自太平洋西北国家实验室 （PNNL）、布鲁克海文、麻省理工学院、耶鲁大学、普林斯顿大学、弗吉尼亚理工大学、IBM 等的研究人员。

“许多量子研究都是孤立进行的，研究小组只关注拼图中的一块，”PNNL 的量子计算机科学家塞缪尔·斯坦 （Samuel Stein） 说。“这几乎就像收集原料，但不知道它们如何在食谱中协同工作。当只对量子计算机的一个方面进行实验时，你无法看到结果如何影响系统的其他部分。

相反，ARQUIN 团队将构建多节点量子计算机的问题分解为不同的“层”，每个机构根据其专业领域在不同的层上工作。

“这是一个巨大的优化问题，”IBM 物理科学委员会主席 Mark Ritter 说。“该团队必须对该领域进行深入评估，以了解我们在技术和算法方面所处的位置，然后进行模拟以找出瓶颈所在以及可以改进的地方。”

ARQUIN 框架侧重于通过微波连接到光链路的超导量子设备。每个机构都专注于量子计算配方的不同成分。例如，虽然一些研究人员研究了如何优化微波到光的转导，但其他研究人员创建了利用分布式架构的算法。

麻省理工学院的 Isaac Chuang 教授说：“这种跨域系统研究对于制定有用的量子信息处理应用的路线图至关重要，并且得到了美国能源部国家量子计划的独特支持。

对于 ARQUIN 框架的一部分，包括 Stein、Ang Li 和 James （Jim） Ang 在内的 PNNL 研究人员设计并构建了仿真管道，并生成了将所有要素连接在一起的 Quantum Roofline 模型，本质上创建了一个框架，用于尝试未来量子计算机的不同配方。

PNNL 物理学家 Chenxu Liu 从他独特的角度出发，非常了解多机构合作的必要性。他在弗吉尼亚理工大学担任博士后研究员期间研究了 ARQUIN 框架。

“虽然每个研究小组在项目各自的部分都有专业知识，但没有人对项目中所有其他小组的工作有非常深入的了解，”Liu 说。“但是，每个小组的工作都需要嵌入到量子计算机的整个管道视图中，以使其有意义。”

在将项目的不同部分编译在一起后，ARQUIN 成为对未来多节点量子计算机进行仿真和基准测试的框架。这标志着通过集成模块化系统实现高效和可扩展的量子通信和计算迈出了有希望的第一步。

扩展量子配方

尽管 ARQUIN 论文中概述的功能性多节点量子计算机尚未创建，但这项研究为未来的量子硬件/软件协同设计提供了路线图。

“创建基于层的分层仿真环境（包括微波到光学仿真、蒸馏仿真和系统仿真）是这项工作的关键组成部分，”Li 说，“它使 ARQUIN 团队能够理解和评估有关复杂分布式量子计算通信堆栈的各种设计因素和性能指标之间的权衡。

为 ARQUIN 创建的一些软件产品已经被团队成员用于其他项目。许多 ARQUIN 作者合作开展了另一个名为 HetArch 的项目，以进一步研究不同的超导量子架构。

“这是将百万兆次级计算的协同设计原则应用于我们的 ARQUIN/HetArch 设计太空探索的一个例子，”Ang 说。

更多信息：James Ang 等人，ARQUIN：多节点超导量子计算机的架构，ACM 量子计算汇刊（2024 年）。DOI： 10.1145/3674151

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