Hardware-aware compilation for chip-to-chip coupler-connected modular quantum systems

doi:10.1016/j.future.2026.108830

Hardware-aware compilation for chip-to-chip coupler-connected modular quantum systems

2026-09-23

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DOI：10.1016/j.future.2026.108830

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实现大规模量子优势需要超越单块处理器物理极限的架构。通过固定芯片间耦合器连接的模块化量子系统提供了有前景的途径，通过固定芯片间耦合器将多个高保真量子处理单元（QPUs）连接起来。然而，有效利用这些架构需要编译策略，明确考虑低错误率芯片内门与高错误率芯片间耦合器操作之间的显著保真度不对称性，这是为单块架构设计的现有编译器所忽略的区别。我们提出CCMap（耦合器连接映射），一种面向耦合器连接模块化量子系统的硬件感知编译框架。CCMap构建一个系统拓扑，统一芯片内重六边形晶格结构与芯片间耦合器链接，并根据实时校准指标为每条边加权。利用此拓扑，CCMap执行耦合器感知电路分区以最小化芯片间门使用，随后进行耦合器对齐的全局映射，在路由过程中惩罚高错误率芯片间操作。关键在于，CCMap作为模块化优化层运行在现有单-QPU编译器（Qiskit、MQT QMAP、UCC、TKET和Cirq）之上，无需电路重建。在基于真实硬件校准的IBM-Q噪声模拟器上评估，CCMap在电路保真度上实现最高30.0%的提升，将总编译成本降低最高76.1%，与五个最先进基线相比，在2-4芯片系统上22至600量子比特的电路中编译运行时速度提升最高35.3倍。这些结果确立了硬件感知、拓扑引导的编译对于近景模块化量子硬件的高保真执行至关重要。

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