[論文レビュー] $Q|SI angle$: A Quantum Programming Environment

Shusen Liu, Xin Wang+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2017

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 25被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、.NETフレームワーク上に構築された量子プログラミング環境 $Q|SI\rangle$ を紹介する。この環境は、量子拡張版while言語を介して量子プログラミングをサポートする。コンパイラ、量子回路最適化、シミュレーション、および終了、実行時間、不変式に関する革新的な分析ツールを備えており、フィードバック駆動型量子アセンブリ言語（f-QASM）を用いた高水準で検証可能な量子アルゴリズム開発を可能にする。

ABSTRACT

This paper describes a quantum programming environment, named $Q|SI angle$. It is a platform embedded in the .Net language that supports quantum programming using a quantum extension of the $\mathbf{while}$-language. The framework of the platform includes a compiler of the quantum $\mathbf{while}$-language and a suite of tools for simulating quantum computation, optimizing quantum circuits, and analyzing and verifying quantum programs. Throughout the paper, using $Q|SI angle$ to simulate quantum behaviors on classical platforms with a combination of components is demonstrated. The scalable framework allows the user to program customized functions on the platform. The compiler works as the core of $Q|SI angle$ bridging the gap from quantum hardware to quantum software. The built-in decomposition algorithms enable the universal quantum computation on the present quantum hardware.

研究の動機と目的

• 量子回路の詳細を抽象化することで、アルゴリズム開発に適した高水準で拡張可能な量子プログラミング環境を提供すること。
• 形式的意味論と分析ツールを統合することで、量子プログラムの記述、検証、最適化の課題に対処すること。
• フィードバックを備えたアセンブリ言語（f-QASM）を通じて、量子ソフトウェアと現在の量子ハードウェアの間の溝を埋めること。
• 測定に基づくループやcase文を含む量子アルゴリズムのスケーラブルなシミュレーションと検証を可能にすること。
• BB84やグローバー探索といった実世界のプロトコルを実装可能な拡張可能でカスタマイズ可能なコンponentsを提供することで、実用的な量子アプリケーション開発を支援すること。

提案手法

• 大規模な量子アルゴリズムを表現するための測定に基づくcase構造およびwhile構造を備えた、量子拡張版while言語を基盤とする。
• コンパイラが量子whileプログラムを、フィードバックを強化したQASMの拡張版であるf-QASMに変換し、測定駆動の制御フローを効率的に実装可能にする。
• ゲート数を削減し、組み込みの分解アルゴリズムを用いて回路の深さを改善する量子回路最適化ツールをフレームワークに統合する。
• 古典的エミュレーションを可能にする量子シミュレータを提供し、測定操作には擬似ランダムサンプリングを用いる。
• 半正定値計画法（SDP）を用いてループ不変式を生成し、終了確率と平均実行時間を計算するプログラムアナライザーを実装する。
• IBMの量子ハードウェアやLIQUi|>など、外部ツールやプラットフォームとの統合をサポートする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 測定に基づく制御フロー構造（caseやwhileループなど）をサポートする高水準な量子プログラミング言語をどのように設計できるか？
• RQ2 フィードバック対応の実行可能量子回路に変換するための、量子whileプログラムを処理するコンパイラ技術は何か？
• RQ3 半正定値計画法（SDP）を用いて、量子プログラムの終了確率と平均実行時間を形式的に分析・検証するにはどうすればよいか？
• RQ4 現在のハードウェア制約下で、効率的な古典的エミュレーションを実現するためのシミュレーションおよび最適化戦略は何か？
• RQ5 本プラットフォームを、多様な量子ソフトウェアスタックや実際の量子ハードウェアと統合できるように拡張するにはどうすればよいか？

主な発見

• $Q|SI\rangle$ プラットフォームは、最適化されたf-QASMシーケンスに量子whileプログラムを正常にコンパイルし、フィードバック対応で現在の量子ハードウェアで実行可能であることを示した。
• Qloopケースにおける量子ウォークに類似した挙動のシミュレーションが正しく実行され、予測された測定確率と一致した。
• BB84プロトコルのシミュレーションから、チャネルノイズ、サンプリングレート、パケット長が鍵配布の成功率に顕著な影響を与えることが判明。$Q|SI\rangle$ を用いて最適なパラメータが調整された。
• グローバー探索アルゴリズムでは、複数解の状況で誤り率が上昇したため、このような状況ではアルゴリズムの修正が必要であると示唆された。
• プログラムアナライザーは、SDPに基づく不変式生成を用いて、終了確率と平均実行時間を正常に計算し、量子ループの形式的検証を可能にした。
• 本プラットフォームは、モジュラーかつ拡張可能な量子アプリケーション開発を可能にし、複雑なプロトコルとスケーラブルな回路最適化をサポートする。