可靠和可扩展量子计算机体系结构中若干重要问题的研究

With the rapid and vigorous development of quantum computation and quantum information, building applicable mass scale quantum computer is given wide attentions. To reach this goal, we must guarantee the reliability and scalability of quantum computers. The purpose of this proposal is to enhance the reliability and scalability of quantum computing by using a systematic method of establishing a necessary architecture of quantum computer. Some key issues will be considered in this research, such as: 1. How to prevent or depress system's decoherence by using architectural method and how to balance the various resources in quantum computing process; 2. How to enhance the performance and resource utilization; 3. How to design and implement a user-friendly quantum software development environment, including quantum compilation system and high-level quantum programming languages.

随着量子计算与量子信息理论和技术的蓬勃发展，建造可实用的大规模量子计算机的设想倍受关注。要达成这个目标，必须保证量子计算机的可靠性和可扩展性。本项目旨在研究通过建立合理量子计算机体系结构的方式提高量子计算可靠性和可扩展性的系统性方法，并解决其中的若干重要问题。主要研究内容包括：1、用体系结构方法防止退相干对量子信息的影响并在保证量子计算结果正确的前提下平衡各方面的资源；2、在使量子系统资源尽可能平衡的前提下提高计算效率和系统资源利用率；3、向量子计算机的使用者提供友好的量子程序开发环境，包括量子编译系统和高阶量子语言。

本项目立项和实施之时，正是量子计算与量子信息在中国蓬勃发展之时，借此机会，我们针对通用量子计算机体系结构这一重要而基础的科学问题进行了深入地研究，在基于体系结构和系统组成的层面上提出了多种模型，经过理论计算和模拟实验，有效提高了通用量子计算机的可扩展性、容错性以及量子计算和量子信息处理的效率，为下一步构建基于量子软件和量子关键应用的可靠和可扩展的量子计算设备提供了较为坚实的理论基础和技术平台。. 根据开题时的目标，本项目旨在研究通过建立合理量子计算机体系结构的方式提高量子计算可靠性和可扩展性的系统性方法，并尝试解决其中的几个关键的理论与技术问题。. 本项目的主要研究成果包括：1、提出了一种对环境退相干具有保护性的可靠、可扩展量子计算机体系结构模型（ECoPA），该模型基于体系结构方法防止退相干对量子信息的影响并在保证量子计算结果正确的前提下平衡各方面的资源；2、提出基于上述体系结构的量子指令集体系结构（QISA），在使量子系统资源尽可能平衡的前提下提高计算效率和系统资源利用率；3、在多年研究量子程序设计语言及其处理系统的基础上，提出一套面向量子程序语言处理系统、量子操作系统等量子计算机系统程序的通用接口系统，研究通用量子编译系统的结构和组成，为未来向量子计算机的使用者提供友好的量子程序开发环境和设计高阶量子程序设计语言提供了理论基础。. 本项目实施的科学意义在于，面对日益复杂的实际问题和益增大的数据规模，建立一种可靠和可扩展的量子计算和/或量子信息处理系统，尽量避免对物理层的过高需求，而通过设计合理的体系结构（包括量子计算器件、指令集、各种接口等）来提高量子计算硬件和软件系统的可靠性和可扩展性。我们认为，这是目前在量子信息基础物理器件尚难取的重大突破时的一个良好的研究路线。