量子计算最困难的问题之一就是增加量子计算机的规模。全球研究人员都在寻求解决这一“规模挑战”。

为了让量子缩放更接近现实，来自14家机构的研究人员通过美国能源部(DOE)、科学办公室、国家量子信息科学研究中心的量子优势联合设计中心(C2QA)展开合作。他们共同构建了ARQUIN框架——一种将大规模分布式量子计算机模拟为不同层的管道。他们的研究结果发表在ACMTransactionsonQuantumComputing上。

连接量子比特

该研究团队由布鲁克海文国家实验室和麻省理工学院(MIT)的迈克尔·德马科(MichaelDeMarco)领导，首先提出了一种标准计算策略，将多个计算“节点”组合成一个统一的计算框架。

理论上，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低的温度。这通常是借助一种称为稀释制冷机的低温设备来实现的。问题是，在单个制冷机内将量子计算芯片扩展到足够大的尺寸非常困难。

即使在更大的冰箱中，单个芯片内的超导电路也变得难以维护。为了制造一台强大的多节点量子计算机，研究人员不仅需要连接一台稀释冰箱内的节点，还需要连接多台稀释冰箱之间的节点。

组装量子成分

没有一家机构能够完成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、弗吉尼亚理工学院、IBM等机构的研究人员。

“许多量子研究都是孤立进行的，研究小组只关注难题的一个方面，”太平洋西北国家实验室的量子计算机科学家SamuelStein说道。“这几乎就像收集各种原料，却不知道它们在配方中如何协同工作。当只对量子计算机的一个方面进行实验时，你无法看到结果会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开展工作。

IBM物理科学委员会主席MarkRitter表示：“这是一个巨大的优化问题。团队必须对该领域进行深入评估，了解我们在技术和算法方面的现状，然后进行模拟，找出瓶颈所在以及可以改进的地方。”

ARQUIN框架专注于通过微波与光链路连接的超导量子设备。每个机构都专注于量子计算配方的不同组成部分。例如，一些研究人员研究如何优化微波到光的传导，而另一些研究人员则创建了利用分布式架构的算法。

麻省理工学院的IsaacChuang教授表示：“这种跨领域系统研究对于绘制有用的量子信息处理应用路线图至关重要，并且由美国能源部的国家量子计划独家推动。”

对于ARQUIN框架中的部分，包括Stein、AngLi和James(Jim)Ang在内的PNNL研究人员设计并构建了模拟管道，并生成了将所有成分连接在一起的量子屋顶线模型——本质上创建了一个用于尝试未来量子计算机不同配方的框架。

PNNL物理学家ChenxuLiu凭借其独特的优势，深知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，曾参与ARQUIN框架的研究。

“虽然每个研究小组都精通各自项目的部分，但没有人对项目中其他小组的工作有很深入的了解，”刘说。“然而，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，才能使其有意义。”

在将项目的各个部分整合在一起后，ARQUIN成为了模拟和基准测试未来多节点量子计算机的框架。这标志着通过集成模块化系统实现高效、可扩展的量子通信和计算的第一步。

扩展量子配方

虽然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。

“创建基于层的分级模拟环境(包括微波到光学模拟、蒸馏模拟和系统模拟)是这项工作的关键组成部分，”李说。“它使ARQUIN团队能够理解和评估复杂分布式量子计算通信堆栈中各种设计因素和性能指标之间的权衡。”

为ARQUIN开发的一些软件产品已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。

Ang表示：“这是将百亿亿次计算的协同设计原理应用于我们的ARQUIN/HetArch设计空间探索的一个例子。”