HiMA：一种分层量子微架构，用于实现量子比特扩展和量子过程级并行性

《Future Generation Computer Systems》：HiMA: Hierarchical Quantum Microarchitecture for Qubit-Scaling and Quantum Process-Level Parallelism

量子计算控制系统的可扩展性难题，通过HiMA分层微架构实现：采用离散量子位驱动与异步测量提升资源利用率，设计分层触发机制实现多进程同步控制，结合多进程并行策略支持6144量子位扩展，在102量子位实验中实现4.89倍速度提升和3.55倍CLOPS性能增益。

　　

周琦|梅子豪|史汉青|郭亮亮|杨晓燕|王云杰|徐晓凡|薛成|孔伟成|王俊超|吴玉春|陈兆云|郭国平

中国科学技术大学量子信息实验室，合肥，230026，中国

摘要

量子计算在解决各种复杂的计算挑战方面具有巨大潜力，尤其是在扩展到数千个量子比特时。然而，要实现这一规模，需要开发一个高效且可扩展的量子控制系统。在这项工作中，我们提出了一种新的分层微架构（HiMA），旨在实现量子比特的可扩展性，同时利用量子过程级别的并行性。该微架构基于三个核心元素：（i）离散的量子比特级驱动和读出；（ii）基于过程的层次触发机制；（iii）具有交错触发机制的多处理。这些组件是专门为解决在分层控制系统中扩展量子处理器时出现的挑战而设计的。我们将HiMA实现为一个102量子比特的可调谐超导量子处理器的控制系统，并部署在公共量子云平台上，通过三层级联架构可扩展到6144个量子比特。在基准测试中，使用5个处理器的并行设置，HiMA实现了高达4.89倍的加速。此外，在CLOPS（每秒电路层操作次数）评估中，这种配置展示了3.55倍的性能提升。

引言

最近的研究表明，使用超过100个量子比特的先进硬件，量子计算在许多计算任务中已经超越了经典计算机，包括量子霸权[1]、[2]、[3]和量子效用[4]。量子比特数量的增加不仅对于实现更实用的量子计算应用至关重要，同时也给控制系统带来了重大挑战[5]。作为基本要求，量子控制系统必须具有物理上的可扩展性和易于扩展性。此外，随着量子比特数量的增加，高效执行量子程序和有效利用量子设备变得至关重要。这些要求对系统的可扩展性提出了重大挑战，也突显了未来研究和开发的关键领域。

集中式架构[6]、[7]、[8]通过单一控制单元管理所有量子比特操作并解析量子电路，便于灵活的反馈控制[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]以及编译的便利性。然而，控制核心的资源开销、解析效率以及对I/O引脚资源的需求随着量子比特数量的增加而增加，显著限制了这种架构的可扩展性。一个自然的进展是将量子电路信息分散到各个控制单元中，每个单元管理一部分量子比特，同时仍然保持一个中央控制核心来实现系统范围的反馈控制[15]。这种方法反映了经典计算从单核处理器到多核处理器的历史转变，其动机同样是为了提高系统可扩展性和处理能力。然而，量子计算提出了独特的挑战——例如时间同步和反馈控制——必须加以解决。

提高量子比特利用率是另一个关键挑战，尤其是在量子比特数量急剧增加的情况下。效率与量子控制系统的可扩展性密切相关，因为它直接影响系统扩展时资源的利用效率。除了提高运行时间比例[16]、[17]、[18]之外，另一个关键方面是提高量子设备的利用率，例如提供量子过程级别的并行性。参考文献[19]提出了一种软件级别的多编程方法，该方法合并了兼容的量子电路以进行执行。这种方法在一定程度上提高了并行性，但缺乏灵活性。相比之下，硬件级别的过程级别并行性支持引入了一种更动态和高效的机制，允许独立的量子过程同时执行。这一特性在同时进行多种任务（如量子比特校准实验）和量子算法执行的场景中特别有利，显著提高了系统的整体效率。如图1所示，实验室环境成为多个专家同时在共享量子芯片上测试和开发应用程序的中心。系统的过程级别并行性对于现场科学家和通过云远程用户独立访问量子比特至关重要。这种协作框架不仅促进了更互动的研究环境，还加快了量子技术的进步速度。

在本文中，我们介绍了一种名为HiMA（分层微架构）的新控制微架构，旨在促进量子比特的可扩展性和量子多处理。图2比较了集中式和分层微架构。在集中式架构中，单个量子控制处理器负责使用定制指令存储整个量子电路。随着量子比特数量的增加，相应的量子电路指令增长导致执行效率降低和硬件资源紧张，最终限制了可扩展性。相比之下，分层架构将量子电路信息分布在与每个量子比特相关联的单独量子比特控制节点（QCN）上，控制器同步这些单元的时间。这种方法通过级联控制器提高了可扩展性，而不会增加复杂性或增加QCN的资源需求。此外，HiMA中的控制器支持多处理调度和管理，实现量子过程级别的并行性，并提供反馈控制以适应复杂的量子算法。

HiMA的主要特点和贡献包括：

1.

离散的量子比特级驱动和读出：我们使用离散的执行单元分别存储、解析和执行每个量子比特的XY和Z线驱动和读出操作。值得注意的是，对于量子比特读出，我们实现了异步测量方法，以便在量子比特级别而不是馈线级别（QPU上的测量总线）进行控制[11]。这种策略通过分布式存储提高了系统的可扩展性。此外，每个量子比特的独立控制允许更灵活的调度，为量子过程级别的并行性奠定了坚实的基础。

2.

基于过程的层次触发机制：我们采用基于过程编号的自上而下的层次触发方法，使用级联控制器来同步离散的执行单元。这种方法促进了执行单元的有效同步和调度，最小化了资源开销。

3.

基于多处理的量子过程级别并行性：我们采用多处理方法来实现量子过程级别的并行性。为了减轻量子过程之间的串扰引起的精度降低，我们部署了交错触发机制。

此外，我们将HiMA实现为一个102量子比特的超导量子设备的量子控制系统，该设备为公开发布的Origin Quantum Cloud Platform¹提供支持。通过引入三层级联，HiMA可以支持多达6144个固定频率的量子比特。为了评估系统效率，我们提出了QPU负载平均（QLA）指标，该指标全面评估了量子应用程序的执行效率和QPU的利用率。在基准测试中，HiMA在5个处理器的并行配置下实现了高达4.89倍的加速。此外，通过云平台进行的性能测量显示，在相同的5个处理器配置下，CLOPS提高了3.55倍。

除了吞吐量之外，我们还通过（i）量化不同场景下的反馈延迟；（ii）验证6 GHz下的XY路径RF指标（接近相位噪声、积分抖动、SFDR、隔离度）；以及（iii）与RFSoC XCZU49DR相比的FPGA资源分析，展示了$d=9$联合查找解码器和并行控制的准备情况和可扩展性来证明超导控制系统的 readiness 和可扩展性。我们还展示了基于多处理的交错随机基准测试（RB）[20]、[21]、[22]实验，表明HiMA可以灵活地并行运行多个独立实验。

量子电路

量子电路模型是最著名的量子计算模型[23]，由量子门和测量（也称为读出）[24]组成。在完全实现完美的量子计算机之前，我们目前处于噪声中间规模量子（NISQ）时代[25]，该时代采用受噪声和不相干性影响的不完美量子计算机[26]。为了在NISQ设备中寻找应用，需要满足两个要求：首先，重复执行相同的量子

相关工作

超导平台的控制微架构大致分为（i）解析整个电路并驱动所有通道的集中式核心，以及（ii）将时序和波形执行推向每个量子比特（或每个簇）引擎的分层/分布式方案，同时将全局协调保留给上层。在集中式路线中，QuMA [6]开创了单核解码器/定时器；QuMA v2 [7]提出了SOMQ和VLIW编码的问题率；QuAPE [8]引入了

定义量子处理单元的效率和利用率

为了量化HiMA如何提高吞吐量和设备利用率，本节首先正式定义了量子作业的端到端时间预算，并定义了应用级别的执行效率。然后我们引入了量子过程级别并行性（QPLP）和QPU负载平均（QLA）指标，以捕捉并发进程如何在单个设备上共享量子比特资源。这些定义将在后续的评估和讨论中一致使用。

要求

本节总结了超导量子处理器控制微架构的三个架构要求：可扩展性、时间同步和反馈控制。对于每个要求，我们指出了具体的设计目标和约束，这些目标和约束指导了第6节中介绍的微架构。

微架构

本节详细介绍了HiMA微架构。我们首先概述了物理和功能层次结构——包括根控制器、中间控制器和叶子控制器以及执行模块，还包括量子比特控制节点（QCNs）和量子比特簇控制子系统（QCCSs）的抽象。然后我们介绍了离散的每个量子比特驱动和读出、用于过程范围同步的分层触发设计，以及支持量子过程级别并行性（QPLP）的多处理方案。

实现

本节描述了部署的HiMA系统及其硬件实现。我们首先总结了面向云的部署和设备特性，然后详细介绍了执行/控制板和机箱级别的集成，包括时钟、链接以及在QCCSs之间的扩展。

我们使用之前描述的多处理机制实现了最大任务并行性为五的HiMA。HiMA驱动了一个在Origin上端到端完全连接的可调耦合超导处理器

评估

在本节中，我们从四个方面评估HiMA：（i）不同量子比特使用率和进程计数下的QPU负载平均（QLA）；（ii）以CLOPS测量的端到端吞吐量；（iii）测量条件下的反馈延迟；以及（iv）XY驱动的RF输出质量。我们进一步展示了一个多处理应用程序，该应用程序使用交错触发器量化了量子比特间的串扰。

结论

总之，我们介绍了HiMA，这是一种分层量子微架构，解决了量子计算控制系统中可扩展性的紧迫挑战。通过模块化方法、精确的时间控制机制和异步测量技术，HiMA在单个量子比特的粒度上有效实现了量子过程级别的并行性。

因此，我们将HiMA作为用于量子云计算的102量子比特超导QPU的控制系统进行部署

未引用的引用

表2。

CRediT作者贡献声明

周琦：撰写——原始草稿、可视化、软件、项目管理、方法论、调查、形式分析、概念化。梅子豪：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件、调查、形式分析、数据管理。史汉青：软件、数据管理。郭亮亮：调查。杨晓燕：形式分析、数据管理。王云杰：撰写——审阅与编辑。徐晓凡：撰写——审阅与编辑。薛成：撰写——审阅

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。