ReQISC:一种可重构量子计算机微架构与编译器的协同设计
当前量子硬件的性能受到严重制约。尽管通过引入高保真度、表达性强的基础门来扩展量子指令集架构(ISA)是一条关键发展路径,但这会带来巨大的门校准开销并使编译器优化复杂化。因此,即使已设计出更强大的ISA,其应用仍主要停留在概念层面而非实际部署。为突破这些障碍,该团队提出“可重构量子指令集计算机”(ReQISC)概念,其创新包括:(1)能够直接等效实现任意双量子位门(即模单量子位旋转的SU(4)群操作)的统一微架构,在给定任意双量子位耦合哈密顿量时提供理论最优的门持续时间;(2)专为ReQISC原语设计的端到端综合优化编译框架,包含用于精炼高层表示的程序感知通道、实施激进电路级优化的程序无关通道,以及最小化硬件映射开销的SU(4)感知路由通道。该工作详细阐述了硬件实施方案,从脉冲控制和校准两方面论证了在真实硬件上实现这一先进门方案的可行性。基于SU(4)的表达能力与底层微架构实现的时间最优性,这种SU(4)基础的ISA展现出卓越性能——相较于主流磁通可调transmon器件常用的CNOT/CZ方案,实现任意双量子位门的平均脉冲持续时间缩短了4.97倍。在端到端编译器支持下,ReQISC在双量子位门数量、电路深度、脉冲持续时间、量子位映射开销和程序保真度损失等关键指标上均显著优于传统CNOT-ISA方案、先进编译器及脉冲实现方案。ReQISC首次使连续ISA的理论优势具备了实际可行性。
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