RISC-V 量子拡張の実装

RISC-V量子拡張は, 「RiscV.RV32IU」として @k_yamaz 蛙 が提案しています.
（詳しくは, 技術ブログ Qiita に投稿した RISC-Vの量子計算拡張 をご参照ください. ）
思いつきなどをメモしていきます.

さて, そろそろ RISC-V 量子拡張の実装を進めて参りましょう.
計画時では, RISC-V 量子拡張の実装は, ユニバーサルゲートである H ゲート, T ゲート, CNOT ゲートのみを準備するだけにしようとしていましたが,
QPU シミュレータの中を試行錯誤的に色々と検討したいという事由もあり, 次の通りの構成としました.

なお, RISC-V 量子拡張 (2. カスタム拡張を考える[続き]) で検討していた内容から, さらに検討が進み, 変更した事項があります.

qmeas.k   rd rs1 rs2 qimm6 31=1 14..12=0 6..2=0x02 1..0=3  # quantum measurement
qtelep.k  rd rs1 rs2 qimm6 31=0 14..12=0 6..2=0x02 1..0=3  # quantum teleportation
qtocx.k   rd rs1 rs2 qimm6 31=1 14..12=4 6..2=0x02 1..0=3  # quantum two-qubit operator CX-gate
qootdg.k  rd rs1 rs2 qimm6 31=0 14..12=1 6..2=0x02 1..0=3  # quantum one-qubit operator T^{\dag}-gate
qoosdg.k  rd rs1 rs2 qimm6 31=0 14..12=2 6..2=0x02 1..0=3  # quantum one-qubit operator S^{\dag}-gate
qooz.k    rd rs1 rs2 qimm6 31=0 14..12=3 6..2=0x02 1..0=3  # quantum one-qubit operator Z-gate
qoox.k    rd rs1 rs2 qimm6 31=0 14..12=4 6..2=0x02 1..0=3  # quantum one-qubit operator X-gate
qoos.k    rd rs1 rs2 qimm6 31=0 14..12=5 6..2=0x02 1..0=3  # quantum one-qubit operator S-gate
qoot.k    rd rs1 rs2 qimm6 31=0 14..12=6 6..2=0x02 1..0=3  # quantum one-qubit operator T-gate
qooh.k    rd rs1 rs2 qimm6 31=0 14..12=7 6..2=0x02 1..0=3  # quantum one-qubit operator H-gate

• 量子ビット間の移動（qtelep.k）

量子レジスタ rs1 の rd で指定された位置の量子ビットの状態を, 量子レジスタ rs2 の qimm6 で指定された位置の量子ビットに量子テレポーテーションします.
qimm6(30) = 1 のときは, rd や qimm6(25-29) に関わらず, rs1 の全量子ビットの状態を rs2 に量子テレポーテーションします.

31	30 .. 25	24 .. 20	19 .. 15	14 .. 12	11 .. 7	6 .. 0
0	qimm6	rs2	rs1	000	rd	0001011

• 量子レジスタの初期化（qtelep.k の特殊な命令）

量子レジスタ rs2 の qimm6 で指定された位置の量子ビットの状態を初期化します.
qimm6(30) = 1 のときは, qimm6(25-29) に関わらず, rs2 の全量子ビットの状態を初期化します.

31	30 .. 25	24 .. 20	19 .. 15	14 .. 12	11 .. 7	6 .. 0
0	qimm6	rs2	rs1(=q0)	000	rd	0001011

• 1量子ビット演算

量子レジスタ rs1 に対して, qimm6 で指定したビット位置に, Unitray で示されたユニタリ行列を作用する命令です.

31	30 .. 25	24 .. 20	19 .. 15	14 .. 12	11 .. 7	6 .. 0
0	qimm6	rs2(=q0)	rs1	Unitary	rd	0001011

14 .. 12	Unitary	opcode
001	$T^{\dagger}$	qootdg.k
010	$S^{\dagger}$	qoosdg.k
011	$Z$	qooz.k
100	$X$	qoox.k
101	$S$	qoos.k
110	$T$	qoot.k
111	$H$	qooh.k

• 2量子ビット演算

量子レジスタ rs2 の qimm6[control] で指定したビット位置を制御ビット, 量子レジスタ rs1 の rd[target] で指定したビット位置を操作ビットとして 2量子ビットの Control Unitary を作用する命令です.

31	30 .. 25	24 .. 20	19 .. 15	14 .. 12	11 .. 7	6 .. 0
0	qimm6	rs2	rs1	Unitary	rd	0001011

14 .. 12	Unitary	opcode
100	CNOT	qtocx.k

• 1量子ビットの測定（qmeas.k）

量子レジスタ rs1 の qimm6 で指定された位置の量子ビットの状態を測定して, 古典レジスタ rd の qimm6 ビット位置に値を保持します.

31	30 .. 25	24 .. 20	19 .. 15	14 .. 12	11 .. 7	6 .. 0
1	qimm6	rs2(=q0)	rs1	000	rd	0001011

• 複数量子ビットの測定（qmeas.kの特殊な命令）

古典レジスタ rs2 の値で指定された量子ビット（マスクで指定）に対して, 量子レジスタ rs1 の状態を測定して, 古典レジスタ rd のビット位置に値を保持します.

31	30 .. 25	24 .. 20	19 .. 15	14 .. 12	11 .. 7	6 .. 0
1	qimm6(=000000)	rs2( $\ne$ q0)	rs1	000	rd	0001011