[論文レビュー] cQASM v1.0: Towards a Common Quantum Assembly Language

N. Khammassi, Gian Giacomo Guerreschi+4 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2018

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 10被引用数 29

ひとこと要約

本論文は、量子ツール間のばらばらなQASM方言を統一するための標準化された、ハードウェアに依存しない量子アセンブリ言語cQASM v1.0を紹介する。低レベルのハードウェア詳細を抽象化し、相互運用性を実現することで、cQASMはさまざまなプラットフォーム間で量子回路のシームレスなコンパイル、シミュレーション、実行を可能にし、量子コンピューティングコミュニティの基盤となるツールボックスを形成する。

ABSTRACT

The quantum assembly language (QASM) is a popular intermediate representation used in many quantum compilation and simulation tools to describe quantum circuits. Currently, multiple different dialects of QASM are used in different quantum computing tools. This makes the interaction between those tools tedious and time-consuming due to the need for translators between theses different syntaxes. Beside requiring a multitude of translators, the translation process exposes the constant risk of loosing information due to the potential incompatibilities between the different dialects. Moreover, several tools introduce details of specific target hardware or qubit technologies within the QASM syntax and prevent porting the code to other hardwares. In this paper, we propose a common QASM syntax definition, named cQASM, which aims to abstract away qubit technology details and guarantee the interoperability between all the quantum compilation and simulation tools supporting this standard. Our vision is to enable an extensive quantum computing toolbox shared by all the quantum computing community.

研究の動機と目的

• ツール間で分散している量子アセンブリ言語（QASM）の断片化を是正することで、ツール間の相互運用性の欠如や翻訳過程での情報損失のリスクを低減する。
• 量子回路の標準的中間表現として機能する、共通のハードウェアに依存しない量子アセンブリ言語を設計する。
• モジュラーで拡張可能な構文を通じて、変動型アルゴリズム、エラー訂正、フィードフォワード操作といった多様な量子コンピューティングニーズをサポートする。
• キュービット技術固有の詳細を抽象化することで、長期的なツール互換性とコードの移植性を実現する。
• コンパイラ、シミュレータ、ハードウェアバックエンドが単一の標準言語を介して相互に連携できる共通の量子コンピューティングエコシステムの基盤を築く。

提案手法

• 特定のキュービット技術やマイクロアーキテクチャに依存しない最小限のハードウェアに依存しないQASM構文を定義する。
• キュービット定義、測定レジスタ、量子ゲート、回路定義のための構造化された構文を導入し、明確さと一貫性を確保する。
• ゲートレベルの並列実行（SGMQ）、ループ、動的測定平均化といった高度な機能のためのオプション拡張を統合する。
• 非可換な観測量の期待値を推定するための専用コマンドを備えることで、変動型量子アルゴリズムをサポートする。
• 将来の古典的制御フロー、条件付き演算、サブ回路の再利用をサポートするため、拡張可能に設計する。
• IBM、Intel、学術研究者らを含む多様なステークホルダーからのフィードバックを統合し、広範なコミュニティの合意形成と実用性を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 既存の互換性のないQASM方言を統一する共通の量子アセンブリ言語をどのように設計できるか？
• RQ2 変動型量子エイゲンソルバーや量子サンプリングといった近い将来の量子アルゴリズムをサポートするには、どのような構文的・意味的特徴が必要か？
• RQ3 低レベルの最適化やスケジューリングを維持しつつ、ハードウェアに依存しない量子回路表現をどのように実現できるか？
• RQ4 量子コンパイラ、シミュレータ、ハードウェアバックエンド間の相互運用性を実現するには、どのようなメカニズムが必要か？
• RQ5 古典的量子相互作用や動的回路制御を含む、将来の量子アルゴリズムの進化をサポートするには、どのような拡張が必要か？

主な発見

• cQASM v1.0は、標準化され、ハードウェアに依存しない量子アセンブリ言語を提供し、分散しているQASM方言を統一することで、翻訳のオーバーヘッドと情報損失を低減する。
• 非可換な観測量の期待値を測定するための専用コマンドを備えることで、変動型量子アルゴリズムといった重要な近い将来の量子ワークロードをサポートする。
• SGMQ命令によるゲートレベルの並列実行をサポートすることで、cQASMは量子回路の表現をコンactに保ち、スケジューリングとシミュレーションの効率を向上させる。
• 基本的な量子回路を扱う最小限のコア構文と、ループや測定平均化といった高度なユースケースをサポートする拡張可能な機能を備える。
• 将来の拡張性を考慮して設計されており、古典的制御フロー、条件付き演算、サブ回路の再利用のサポートを今後計画している。
• コミュニティ主導の設計プロセスにより、既に主要な量子研究機関や産業ラボからのフィードバックが統合されており、広範な関連性と採用可能性を確保している。