Much like classical supercomputers, scaling up quantum computers requires an optical interconnect. However, signal attenuation leads to irreversible qubit loss, making quantum interconnect design guidelines and metrics different from conventional computing. Inspired by the classical Dragonfly topology, we propose a multi-group structure where the group switch routes photons emitted by computational end nodes to the group's shared pool of Bell state analyzers (which conduct the entanglement swapping that creates end-to-end entanglement) or across a low-diameter path to another group. We present a full-stack analysis of system performance, a combination of distributed and centralized protocols, and a resource scheduler that plans qubit placement and communications for large-scale, fault-tolerant systems. We implement a prototype three-node switched interconnect to justify hardware-side scalability and to expose low-level architectural challenges. We create two-hop entanglement with fidelities of 0.6-0.76. Our design emphasizes reducing network hops and optical components to simplify system stabilization while flexibly adjusting optical path lengths. Based on evaluated loss and infidelity budgets, we find that moderate-radix switches enable systems meeting expected near-term needs, and large systems are feasible. Our design is expected to be effective for a variety of quantum computing technologies, including ion traps and neutral atoms.


翻译:与经典超级计算机类似,量子计算机的规模化扩展需要光学互连。然而,信号衰减会导致不可逆的量子比特损耗,使得量子互连的设计准则和度量指标与传统计算有所不同。受经典蜻蜓拓扑结构的启发,我们提出一种多群组结构,其中群组交换机将计算终端节点发射的光子路由至该群组共享的贝尔态分析器池(通过执行纠缠交换实现端到端纠缠),或通过低直径路径路由至另一群组。我们对系统性能进行了全栈分析,结合分布式与集中式协议,并设计了资源调度器以规划大规模容错系统中的量子比特布局与通信。我们实现了三节点交换互连的原型系统,以论证硬件侧的可扩展性并揭示底层架构挑战。实验实现了保真度0.6-0.76的双跳纠缠。本设计着重减少网络跳数与光学组件以简化系统稳定性控制,同时灵活调节光路长度。基于对损耗与保真度误差预算的评估,我们发现中等基数交换机足以满足近期预期需求,且大规模系统具有可行性。该设计预期可适用于多种量子计算技术,包括离子阱与中性原子体系。

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