日本科学家将量子计算架构内存和处理器分离，实现高效容错计算

摘要：这项创新解决了扩展、内存利用率和可移植性挑战。它将资源需求减少了约 40%，实现了约 90% 的实际内存效率，并将计算时间至少增加了约 5%。该研究结果于 2025 年 3 月在第 31 届 IEEE 高性能计算机架构国际研讨会上发表。

NTT 公司、东京大学、九州大学和理化学研究所的研究人员开发出了一种新型量子计算架构。它使用加载存储设计将内存和处理器分开，取代了传统的基于电路的方法。

这项创新解决了扩展、内存利用率和可移植性挑战。它将资源需求减少了约 40%，实现了约 90% 的实际内存效率，并将计算时间至少增加了约 5%。该研究结果于 2025 年 3 月在第 31 届 IEEE 高性能计算机架构国际研讨会上发表。

NTT 推出内存与处理器分离的新型量子计算架构

NTT 推出了一种新型量子计算架构，将内存和处理器分开，与传统设计截然不同。这项创新旨在提高量子计算系统的效率和可扩展性。

传统的量子计算机设计依赖于量子电路，由于需要在不断扩展的系统中持续运行，因此在扩展方面存在挑战。此外，这些系统针对特定的设备尺寸和纠错方法进行了优化，限制了它们在不同架构之间的可移植性。

新架构采用加载-存储方法，类似于传统计算机，其中内存和处理器独立运行。这种方法有助于高效交换数据。它通过加载和存储指令实现这一点。通过将内存专门用于数据存储而不是操作，可以提高内存利用率。

为了进一步优化性能，研究人员引入了新的量子存储技术，包括行访问和点访问类型。这些方法实现了 100% 的渐近存储效率和 90% 左右的实际效率，大大增强了资源管理。

表面码是目前在如何实现容错量子计算机方面研究和开发最多的纠错方法。但是，这种方法需要非常大量的物理量子比特，这对于在足够大的计算机上实现它以实现量子加速的可行性而言是一个重大挑战。这项研究提出了一种量子计算机版本的加载存储架构，利用表面码的理论特性和计算机设计知识，从而在不损害量子计算性能的情况下，通过将所需的物理量子比特数量减半来解决这一问题。这是通过 Moonshot Research 内部项目之间的合作进行跨学科合作的成果，可以说是朝着实现大规模容错量子计算迈出了一大步。

首相山本刚的评论

尽管取得了这些进步，但对计算时间的影响仍然很小，仅增加了约 5%。效率和性能之间的平衡凸显了新架构的实用性。

这项研究的更广泛意义在于，它证明了基本的计算机架构原理可以有效地应用于量子计算。这一突破将促进进一步的研究和开发，并有可能为未来的量子系统奠定基础设计。

传统量子计算机设计的问题

传统的量子计算机设计由于依赖量子电路而面临巨大的可扩展性和资源管理挑战。这些系统需要在不断扩展的量子比特网络中持续运行，因此很难在系统增长时保持一致性和控制。此外，传统架构通常针对特定设备尺寸和纠错方法进行优化，限制了它们在不同硬件实现之间的适应性和可移植性。

传统设计中内存利用率低，进一步加剧了这些问题。在量子电路中，内存经常与计算操作纠缠在一起，从而降低了其作为专用存储资源的能力。这种纠缠使数据管理变得复杂，并限制了系统高

效信息处理的能力。

这些限制凸显了对替代方法的需求，这些方法可以解决量子计算架构中的可扩展性、可移植性和资源效率问题。向分离内存和处理器操作的架构过渡代表了解决这些持续挑战的潜在解决方案。

NTT 的加载存储方法可实现高效量子计算

为了优化性能，研究人员采用了新颖的量子存储技术，包括行访问和点访问方法。这些创新实现了 100% 的渐近存储效率和 90% 左右的实际效率，与传统设计相比，资源利用率显著提高。

理论研究对实现大规模容错量子计算机的贡献之一是提出了一种基于基础研究的多功能可扩展量子计算机架构。这项研究通过重新考虑基于现代传统计算机机制和量子力学特征和性质的量子计算机配置，并重新定义量子计算机内存和处理器的功能，提出了这样一种架构。这一结果是弥合量子计算领域理论与实现之间差距的关键，该领域正在继续显著发展，也是该项目的独特礼物，该项目是由具有不同背景的研究团队共同努力实现的。

对计算时间的影响仍然很小，只增加了约 5%。效率和性能之间的这种平衡证明了新架构在实际应用中的实用性。该方法还通过简化数据管理和降低操作复杂性来解决传统量子计算系统固有的可扩展性挑战。

NTT 的创新将计算机架构的基本原理应用于量子系统，为量子计算的研究和开发开辟了新途径。这项工作凸显了现有架构概念增强量子技术的潜力，有可能为未来的量子系统奠定基础设计。

减少所需的硬件资源对于快速实现容错量子计算机极为重要。这项研究提出了一种量子计算机架构，从计算机设计的角度利用表面代码的特性，无需改变表面代码本身或硬件所需的规格，即可

将量子比特数减少一半，而不会显著增加执行时间。这一结果将产生重大影响，因为它更新了基于实现的量子计算资源估算假设。这是登月研究独有的一项举措，汇集了具有不同背景的研究人员，预计将进行进一步的发展讨论。

这项研究通过重新定义量子系统中内存和处理器的作用，弥合了理论量子计算与实际实现之间的差距。