DMapS：分布式量子计算架构中的端到端量子比特映射与路由技术

《IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems》：DMapS: End-to-End Qubit Mapping and Routing for Distributed Quantum Computing Architectures

DMapS算法通过两阶段qubit映射和优先插入本地SWAP门优化分布式量子计算架构，实验表明平均执行效率提升87.05倍，远程通信开销降低75.16%。

　　

摘要：

分布式量子计算（DQC）架构为大规模量子计算的计算需求提供了一种可扩展的解决方案。在近期的DQC架构中，昂贵的远程量子通信成本以及量子芯片内部的执行成本共同显著限制了量子电路的执行效率。为了全面优化这两项成本，我们提出了针对DQC架构的量子比特映射和路由算法（DMapS），该算法包括端到端的量子比特映射和路由过程。量子比特映射组件DMapS-M采用了两阶段映射策略，将大型量子电路分解为更小的部分，并在量子芯片上并行化量子比特的映射过程。量子比特路由组件DMapS-R通过优先插入本地SWAP门来减少远程量子通信的开销，并通过利用芯片内部的并行性进一步提高编译效率。实验结果表明，与两种基准算法相比，DMapS-M分别将总体开销（包括远程量子通信开销和本地SWAP门开销）平均降低了43.44%和59.72%，同时实现了87.05倍的加速效果。与基准算法相比，DMapS-R将总体开销平均降低了8.85%，并实现了倍的编译加速效果。此外，与专用于DQC的量子编译器相比，DMapS还将远程通信开销平均降低了75.16%。

引言

量子计算[1]在加速量子化学模拟[2]和因式分解[3]等问题解决方案方面具有巨大潜力。尽管如此，当前量子计算的能力仍受到系统中量子比特数量和质量的严重限制[4]。诸如低制造良率[5]、控制串扰[6]等技术挑战使得在保持高控制质量的同时将更多量子比特集成到单个量子芯片中变得困难。为了解决这一限制，分布式量子计算（DQC）架构[7]、[8]、[9]被提出作为一种有前景的解决方案，用于扩展量子计算系统的规模。