近日，清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系量子軟件研究中心陳建鑫課題組與北京量子信息科學(xué)研究院燕飛團(tuán)隊(duì)合作，在量子計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了支持任意兩比特量子門(mén)直接編程的指令集架構(gòu)AshN。

該工作獲審稿人高度認(rèn)可，認(rèn)為通過(guò)同步運(yùn)用磁通量控制與微波驅(qū)動(dòng)，可在無(wú)額外操作成本下精準(zhǔn)調(diào)控所有兩比特門(mén)等價(jià)類，方案非平凡且具開(kāi)創(chuàng)性。

在傳統(tǒng)量子計(jì)算機(jī)中，復(fù)雜量子操作通常需要通過(guò)分解為CNOT門(mén)和單比特門(mén)的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種方法不僅效率較低，還容易引入操作誤差。針對(duì)這一關(guān)鍵問(wèn)題，陳建鑫課題組創(chuàng)新性地提出了AshN量子指令集架構(gòu)，采用磁通調(diào)控與微波驅(qū)動(dòng)的協(xié)同操控機(jī)制，通過(guò)統(tǒng)一控制方案下多參數(shù)協(xié)同調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了對(duì)兩比特酉矩陣所有等價(jià)類的完整覆蓋。

該架構(gòu)的核心優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在三個(gè)方面。通過(guò)統(tǒng)一控制脈沖，可直接實(shí)現(xiàn)任意兩比特酉矩陣操作，完全避免了傳統(tǒng)門(mén)級(jí)分解的繁瑣過(guò)程，與傳統(tǒng)方案相比，該架構(gòu)能大幅減少門(mén)操作數(shù)量，顯著降低誤差累積。在合理假設(shè)下，該架構(gòu)可保證演化時(shí)間的最短性，從而使得高精度物理實(shí)現(xiàn)成為可能。該架構(gòu)已在北京量子信息科學(xué)研究院的主流超導(dǎo)量子比特平臺(tái)上成功實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)證，其創(chuàng)新的指令集架構(gòu)可直接提升現(xiàn)有超導(dǎo)量子芯片的性能表現(xiàn)。

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以AshN指令微架構(gòu)實(shí)現(xiàn)CNOT、iSWAP、B等常用兩比特門(mén)的效果

特別值得關(guān)注的是AshN指令集的理論方案，已由陳建鑫課題組在計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)領(lǐng)域頂級(jí)會(huì)議ASPLOS'24上發(fā)表，這一成果充分展現(xiàn)了計(jì)算機(jī)學(xué)科與量子物理的深度交叉融合，不僅推動(dòng)了量子計(jì)算范式的重大變革，更從底層硬件架構(gòu)到上層算法，實(shí)現(xiàn)與編譯優(yōu)化等多個(gè)層面，為量子計(jì)算領(lǐng)域提出了全新的研究思路和技術(shù)路徑。陳建鑫課題組正以AshN指令集微架構(gòu)為基礎(chǔ)，著力構(gòu)建量子容錯(cuò)計(jì)算的新實(shí)現(xiàn)方案。

相關(guān)研究成果以“基于統(tǒng)一控制方案的任意兩比特門(mén)的高效實(shí)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(xué)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