学术报告：分布式量子控制架构Distributed-HISQ的创新设计与验证

作者及机构
本研究的核心团队来自中国国防科技大学计算机科学与技术学院（National University of Defense Technology）、中国科学院计算技术研究所（Institute of Computing Technology, Chinese Academy of Sciences）、中国长城科技集团（China Greatwall Technology Group）等机构，主要作者包括Yilun Zhao、Kangding Zhao、Peng Zhou等。该研究发表于MICRO ‘25（第58届IEEE/ACM国际微架构研讨会），时间为2025年10月，论文标题为《Distributed-HISQ: A Distributed Quantum Control Architecture》。

学术背景
量子计算的控制架构（Quantum Control Architecture, QCA）面临两大核心挑战：
1. 可扩展性：随着量子比特数量增加，集中式控制架构因指令吞吐量限制和FPGA引脚资源瓶颈难以扩展，分布式架构（DQCA）成为必然选择，但需解决多控制器间的纳秒级同步问题。
2. 适应性：现有量子指令集架构（QISA）存在两极分化——或过于抽象（如直接映射量子操作），或过于底层（绑定具体硬件行为），导致硬件定制成本高昂，限制系统可重构性。

研究团队提出Distributed-HISQ，通过新型指令集（HISQ）和同步协议（BISP），实现高效、可扩展的分布式量子控制。

研究流程与方法
1. 指令集设计（HISQ）
- 抽象层创新：将量子控制抽象为“在特定时间点向特定端口发送特定码字”，解耦量子语义与硬件实现。例如，指令cw.i.i 1, 1在控制板上触发X门，而在读出板上触发测量鉴别。
- 硬件无关性：基于RISC-V 32i扩展，新增同步指令（sync）和通信指令（send/recv），支持动态反馈和跨控制器协作。

1. 同步协议（BISP）

   • “预约式”同步：控制器提前预测同步时间点（如会议预约机制），通过路由器交换时间戳，实现零周期开销的指令提交同步。
     
   • 混合拓扑：底层采用网状连接（匹配量子芯片拓扑），上层采用树状路由（减少通信跳数）。实验验证中，两控制器通过LVDS通道实现纳秒级同步，FPGA资源消耗仅13 LUTs。
     

2. 硬件实现与验证

   • 控制节点：单FPGA部署HISQ核心，支持28通道控制（8 XY + 20 Z通道）和4通道读出，时序分辨率4 ns（250 MHz时钟）。
     
   • 软件栈：开发全栈工具链（Quingo编程框架、MLIR编译器），将OpenQASM程序编译为HISQ二进制码。
     
   • 实验验证：
     
     • 电子级验证：通过示波器波形确认BISP协议在非确定性任务（如条件分支）下仍能保持同步精度。
       
     • 量子比特校准：在66比特超导芯片上完成拉比振荡、T1测量等实验，结果与成熟控制系统一致（如T1=9.9 μs vs 参考值10.2 μs）。
       

3. 仿真评估

   • 基准测试：动态电路（如长程CNOT门）和逻辑T门（表面码纠错）模拟显示，相比锁步同步（Lock-step），Distributed-HISQ平均减少22.8%执行时间，保真度提升约5倍。
     

主要结果与逻辑链条
1. HISQ指令集的普适性：同一套指令可控制不同功能硬件（如AWG板与读出板），验证了硬件抽象层的有效性。
2. BISP同步效率：在存在非确定性反馈的量子电路（如逻辑T门）中，BISP通过提前预约同步点，避免了传统方案（如QubiC 2.0）的固定延迟开销。
3. 资源效率：单FPGA节点仅消耗4155 LUTs，支持线性扩展至多控制器系统。仿真显示，随着量子比特数增加，分布式架构的指令吞吐量优势显著。

结论与价值
1. 科学价值：
- 提出首个解耦量子操作语义与硬件行为的指令集（HISQ），为量子控制架构的标准化奠定基础。
- BISP协议通过“预约-触发”机制，解决了分布式量子系统中同步与反馈的固有矛盾。
2. 应用价值：
- 可适配超导、里德堡原子等多种量子硬件，降低控制系统的定制化成本。
- 为未来百万比特级量子计算机的控制架构设计提供可行路径。

研究亮点
1. 零开销同步：BISP协议在理想条件下可实现零周期同步开销，突破传统锁步或按需同步的性能限制。
2. 全栈验证：从指令集设计、硬件实现到量子算法实验，形成完整的技术闭环。
3. 开源工具链：配套软件栈（如Quingo编译器）支持高级量子语言到HISQ指令的自动化转换，提升开发效率。

其他贡献
- 首次在商用量子控制系统（DQCtrl）上实现分布式架构的硬件原型，为工业界提供可落地的技术方案。
- 提出的混合拓扑设计（树状+网状）兼顾了区域级同步和邻近量子比特控制的低延迟需求。