[論文レビュー] Open Quantum Assembly Language

Andrew W. Cross, Lev S. Bishop+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 11, 2017

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 18被引用数 310

ひとこと要約

Open QASM 2.0 は、量子回路の人間が読める中間表現を定義し、普遍的なゲート基底、パラメータ化ゲート、サブルーチン、測定、IBM Quantum Experience のようなハードウェアとの量子-古典インターフェースを特徴とします。

ABSTRACT

This document describes a quantum assembly language (QASM) called OpenQASM that is used to implement experiments with low depth quantum circuits. OpenQASM represents universal physical circuits over the CNOT plus SU(2) basis with straight-line code that includes measurement, reset, fast feedback, and gate subroutines. The simple text language can be written by hand or by higher level tools and may be executed on the IBM Q Experience.

研究の動機と目的

• 量子体験のための、浅い深さの量子回路の実験を可能にするインターフェース言語を説明する。
• オフラインコンパイルとオンライン実行に適した量子回路の中間表現を提供する。
• 組み込みゲートから複雑な演算を構築するためのゲート基底とサブルーチン機構を定義する。
• 測定、リセット、および古典的フィードバックを組み込んで量子-古典の相互作用をモデル化する。
• 実装と使用を導くための例と Open QASM 文法を提供する。

提案手法

• Open QASM を、量子回路モデルに基づく量子回路 IR として導入する。
• 単一量子ビット U ゲートと CNOT を含む組み込みゲート基底を定義し、ゲートサブルーチンを宣言・適用する機構を加える。
• 古典レジスタ、量子レジスタ、および U(θ, φ, λ) を使用したパラメータ化ゲートの構文を提供する。
• 古典レジスタに基づく測定、リセット、バーリア、古典的な if 条件付き実行の意味論を説明する。
• 特性を特定しない、またはハードウェア固有の演算をモデル化するための不透明ゲート宣言を説明する。
• テレポーテーション、QFT、リップルキャリー加算器、エラー訂正回路を示す実用的な文法と例を提示する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 近い将来の量子デバイスのために、普遍的な量子演算セットを人間が読める言語でどう表現・制御できるか？
• RQ2 表現力とハードウェア制約のバランスをとるために、ゲートをサブルーチンでどのように定義・再利用すべきか？
• RQ3 測定と古典的フィードバックを回路実行モデルにどう組み込むか？
• RQ4 実行時パラメータとデバイス固有のゲートを、ハードウェアの詳細をハードコーディングせずに表現するには？
• RQ5 Open QASM 設計を検証する代表的な例は何か（例：テレポーテーション、QFT、エラー訂正）？

主な発見

• テキストベースの構文、バージョニング、およびソースとランタイム実行間の関心の分離を持つ Open QASM 2.0 を定義した。
• 組み込みの普遍ゲート基底として U(θ, φ, λ) と CX を実装し、普遍的な単一量子ビットおよび二量子ビット演算を可能にした。
• サブルーチン機構を介してユーザー定義ゲートを有効化し、階層的なゲート定義と並列適用を作成した。
• 測定、リセット、バーリア、および古典的に制御された量子操作の if 構造を含めてフィードバックをモデル化した。
• 使用例を示す Open QASM 文法（付録 A）と複数の回路例（テレポーテーション、QFT、リップルキャリー加算器、QEC）を提供した。
• Open QASM スクリプトを変更せずにハードウェア変更に対応できるよう、物理ゲートを抽象ゲートの観点で定義することによるハードウェア抽象化を強調した。