As quantum systems scale, Multiprogramming Quantum Computing (MPQC) becomes essential to improve device utilization and throughput. However, current MPQC pipelines rely on expensive online compilation to co-optimize concurrently running programs, because quantum executables are device-dependent, non-portable across qubit regions, and highly susceptible to noise and crosstalk. This online step dominates runtime and impedes low-latency deployments for practical, real-world workloads in the future, such as repeatedly invoked Quantum Neural Network (QNN) services. We present FLAMENCO, a fidelity-aware multi-version compilation system that enables independent offline compilation and low-latency, high-fidelity multiprogramming at runtime. At the architecture level, FLAMENCO abstracts devices into compute units to drastically shrink the search space of region allocation. At compile time, it generates diverse executable versions for each program -- each bound to a distinct qubit region -- allowing dynamic region selection at runtime and overcoming non-portability. At runtime, FLAMENCO employs a streamlined orchestrator that leverages post-compilation fidelity metrics to avoid conflicts and mitigate crosstalk, achieving reliable co-execution without online co-optimization. Comprehensive evaluations against state-of-the-art MPQC baselines show that FLAMENCO removes online compilation overhead, achieves over 5$\times$ runtime speedup, improves execution fidelity, and maintains high utilization as concurrency increases.


翻译:随着量子系统规模的扩大,多程序量子计算(MPQC)对于提高设备利用率和吞吐量变得至关重要。然而,当前的MPQC流程依赖于昂贵的在线编译来协同优化并发运行的程序,因为量子可执行文件具有设备依赖性、无法跨量子比特区域移植,并且极易受到噪声和串扰的影响。这一在线步骤主导了运行时间,阻碍了未来实际工作负载(如重复调用的量子神经网络(QNN)服务)的低延迟部署。我们提出了FLAMENCO,一个保真度感知的多版本编译系统,支持独立的离线编译,并在运行时实现低延迟、高保真度的多程序执行。在架构层面,FLAMENCO将设备抽象为计算单元,从而大幅缩小区域分配的搜索空间。在编译时,它为每个程序生成多样化的可执行版本——每个版本绑定到不同的量子比特区域——允许在运行时动态选择区域,克服了不可移植性问题。在运行时,FLAMENCO采用一个简化的编排器,利用编译后的保真度指标来避免冲突并减轻串扰,无需在线协同优化即可实现可靠的协同执行。与最先进的MPQC基线进行的全面评估表明,FLAMENCO消除了在线编译开销,实现了超过5倍的运行时加速,提高了执行保真度,并在并发性增加时保持了高利用率。

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