Quantum computing is emerging as an important (but radical) technology that might take us beyond Moore's law for certain applications. Today, in parallel with improving quantum computers, computer scientists are relying heavily on quantum circuit simulators to develop algorithms. Most existing quantum circuit simulators run on general-purpose CPUs or GPUs. However, at the same time, quantum circuits themselves offer multiple opportunities for parallelization, some of which could map better to other architecture -- architectures such as reconfigurable systems. In this early work, we created a quantum circuit simulator system called Q2Logic. Q2Logic is a coarse-grained reconfigurable architecture (CGRA) implemented as an overlay on Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs), but specialized towards quantum simulations. We described how Q2Logic has been created and reveal implementation details, limitations, and opportunities. We end the study by empirically comparing the performance of Q2Logic (running on a Intel Agilex FPGA) against the state-of-the-art framework SVSim (running on a modern processor), showing improvements in three large circuits (#qbit=27), where Q2Logic can be up-to ~7x faster.


翻译:量子计算正成为一项重要的(但具变革性的)技术,可能使我们在特定应用领域超越摩尔定律。当前,在改进量子计算机的同时,计算机科学家严重依赖量子电路模拟器来开发算法。大多数现有量子电路模拟器在通用CPU或GPU上运行。然而,量子电路本身提供了多种并行化机会,其中一些更适合映射到其他架构——例如可重构系统。在这项早期工作中,我们创建了一种名为Q2Logic的量子电路模拟器系统。Q2Logic是一种粗粒度可重构架构(CGRA),实现为现场可编程门阵列(FPGA)上的覆盖层,但专门针对量子模拟进行了优化。我们描述了Q2Logic的创建过程,并揭示了其实现细节、局限性与发展机遇。研究最后,我们通过实验对比了Q2Logic(运行于Intel Agilex FPGA)与最先进框架SVSim(运行于现代处理器)的性能,结果表明,在三个大规模电路(#量子比特=27)中,Q2Logic的速度最高可达约7倍提升。

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