近日，清華大學計算機系量子軟件研究中心陳建鑫課題組與北京量子信息科學研究院燕飛團隊合作，在量子計算機體系結構領域取得重要進展，研究團隊在國際上首次實現(xiàn)了支持任意兩比特量子門直接編程的指令集架構AshN。

該工作獲審稿人高度認可，認為通過同步運用磁通量控制與微波驅動，可在無額外操作成本下精準調(diào)控所有兩比特門等價類，方案非平凡且具開創(chuàng)性。

在傳統(tǒng)量子計算機中，復雜量子操作通常需要通過分解為CNOT門和單比特門的組合來實現(xiàn)，這種方法不僅效率較低，還容易引入操作誤差。針對這一關鍵問題，陳建鑫課題組創(chuàng)新性地提出了AshN量子指令集架構，采用磁通調(diào)控與微波驅動的協(xié)同操控機制，通過統(tǒng)一控制方案下多參數(shù)協(xié)同調(diào)控，實現(xiàn)了對兩比特酉矩陣所有等價類的完整覆蓋。

該架構的核心優(yōu)勢主要體現(xiàn)在三個方面。通過統(tǒng)一控制脈沖，可直接實現(xiàn)任意兩比特酉矩陣操作，完全避免了傳統(tǒng)門級分解的繁瑣過程，與傳統(tǒng)方案相比，該架構能大幅減少門操作數(shù)量，顯著降低誤差累積。在合理假設下，該架構可保證演化時間的最短性，從而使得高精度物理實現(xiàn)成為可能。該架構已在北京量子信息科學研究院的主流超導量子比特平臺上成功實現(xiàn)并驗證，其創(chuàng)新的指令集架構可直接提升現(xiàn)有超導量子芯片的性能表現(xiàn)。

圖片:33EF04ECD491C56DC48E177269F_503B2295_2FC1C.png

以AshN指令微架構實現(xiàn)CNOT、iSWAP、B等常用兩比特門的效果

特別值得關注的是AshN指令集的理論方案，已由陳建鑫課題組在計算機體系結構領域頂級會議ASPLOS'24上發(fā)表，這一成果充分展現(xiàn)了計算機學科與量子物理的深度交叉融合，不僅推動了量子計算范式的重大變革，更從底層硬件架構到上層算法，實現(xiàn)與編譯優(yōu)化等多個層面，為量子計算領域提出了全新的研究思路和技術路徑。陳建鑫課題組正以AshN指令集微架構為基礎，著力構建量子容錯計算的新實現(xiàn)方案。

相關研究成果以“基于統(tǒng)一控制方案的任意兩比特門的高效實現(xiàn)”（Efficient implementation of arbitrary two-qubit gates using unified control）為題，于8月15日發(fā)表于《自然·物理》（Nature Physics）。

北京量子信息科學研究院陳臻助理研究員與劉偉洋副研究員為論文共同第一作者，陳建鑫副教授與燕飛研究員為論文共同通訊作者。

論文鏈接：https://dl.acm.org/doi/10.1145/3620665.3640386