我偶然發現了 Michaela Eichinger（來自 Quantum Machines）在 LinkedIn 上發表的一篇文章，她提出了一個關於 QPU 含義的非常好的相關問題，總結如下：
量子晶片連接至電路板 - 圖片來源：QUtech量子處理單元（QPU）並非只是裸晶片：在傳統半導體中，CPU在流片完成後不僅僅是裸露的矽晶片。如果沒有封裝、時脈分配、記憶體層次結構和微程式碼，那顆晶片就只是一團經過高度工程化的沙子。
量子處理單元（QPU）同樣需要嚴謹的系統工程設計。量子晶片本身無法獨立工作。它需要合適的封裝和環境（例如稀釋冷凍機或真空室），以及控制電路和基礎設施才能真正執行邏輯閘運算。
術語 Link to heading
在所有針對此問題的評論中，Olivier Ezratty的評論尤其實用。他建議定義兩個關鍵術語來澄清概念：「量子電腦」和「量子計算系統」。
量子電腦：運行預先定義的量子電路，通常多次運行，並提供有用的結果。因此，它包括編譯、最佳化、QEC/FTQC 實現（如有）、所有經典系統驅動（電子學、光子學）、電路中間測量、經典優化器（用於 NISQ 變分電路）和後處理。以及所有使能技術，包括低溫技術。
- 量子計算系統：利用量子電腦解決使用者問題。它應包含量子電路產生過程中涉及的所有經典資源，必要時還包括高效能運算資源。以及所使用的量子計算機。
右側的圖表展示了這兩個定義。
系統視角：[ QPU || GPU ] Link to heading
最有趣的部分是量子計算系統。我喜歡將量子運算單元（QPU）和圖形處理器（GPU）架構進行類比，如下圖所示：
從系統角度來看，QPU 與 GPU 並沒有太大差別。 QPU 和 GPU 堆疊的不同層之間存在相似之處。
確定哪些部分在量子硬體上運行，哪些邏輯組件在經典計算機上運行也很有幫助，即使兩者都是量子計算機的一部分。
Olivier Erzaty 對我發佈在 LinkedIn 上的原始圖表提出了很有幫助的回饋意見：
互連：至少存在兩條互連線。量子互連線用於傳輸糾纏的量子實體。另一條互連線是即時經典互連線，在 NVQLink 中稱為即時互連線 (RTI)。此外，還有一個連接 CPU 的標準經典網絡，圖中未顯示。
校準：理想情況下，校準應該是即時的，但目前大多數情況下還無法實現。目前有兩種校準方式：即時校準，它利用量子硬體內部的NPU和讀出或伴隨式數據運行；以及速度較慢的校準，它利用CPU或GPU，使用諸如Ising等高級vLLM模型運行。這兩種方法最終可能會融合，但這可能需要幾年時間。
加速：第一張圖使用了「量子硬體加速」一詞，旨在強調即使沒有量子處理器（QPU），量子電路也可以在GPU加速的模擬器上運作。然而，正如Olivier所指出的，一些量子領域（例如量子機器學習）使用量子解決方案來提升結果，但並非一定是為了提高速度。為避免混淆，我們將量子硬體特有的元件（序列器、控制器、脈衝星、低溫記憶體和量子晶片）統稱為「量子硬體」。
系統層級 Link to heading
這就形成如下層級結構，與奧利維爾所提出的結構類似：
- 量子系統：一種異構混合系統，可同時運作GPU、CPU和量子處理單元（QPU）。 2. 量子電腦：一種執行量子電路並產生機率性讀出的系統。 3. 量子硬體：包含量子處理單元（QPU）、低溫記憶體和機率處理單元（PPU）的物理部分。
以下幾點要注意：
xPUs：我提到了“GPU、CPU 和 QPU”，但我本可以使用“xPU”作為任何處理單元的通用術語，因為該系統也可能使用 TPU 和 NPU。
PPU：PPU 代表「脈衝處理單元」。它是韌體運作的元件，負責控制和讀取脈衝星、（電路中）排序、QEC 和 RTI 網路。
GPU 與 PPU：在 GPU 或 PPU 上運行核心需要在資訊傳輸成本和運算能力之間進行權衡，尤其是在將 PPU 放置在低溫恆溫器內部時。
＃ 結論
這份簡短的備忘錄幫助我理清了運行量子計算單元（QPU）的量子計算系統中各個組成部分之間的關係。我特意用GPU作比喻，以便更容易理解QPU涉及的各個元件。
當然，這只是一個簡化的視圖，我特意省略了很多細節。我會在以後的備忘錄中詳細介紹。同時，如果您有興趣，可以了解英偉達的CudaQ，它已經解決了圖中上半部所示的許多設計難題。
我還要感謝 Oliver Erzaty 的回饋，以及 Michaela Eichinger 一貫富有洞察力的問題和貼文。
References:
- NVQLink: Real-time accelerated computing for every quantum processor
- CudaQ: NVIDIA’s open platform for quantum computing and the foundation for accelerated quantum supercomputing
- PPU: Real-Time Quantum Control at the Pulse Level
- NVIDIA Ising
For reference, this is the initial diagram posted on LinkedIn:
DrawIO diagrams used in this memo:
