[論文レビュー] Qiskit Backend Specifications for OpenQASM and OpenPulse Experiments

David McKay, Thomas Alexander+18 more|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2018

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 1被引用数 108

ひとこと要約

この論文は、Qobjと標準インターフェースを定義し、Qiskit互換バックエンド上でOpenQASMとOpenPulse実験を実行できるようにする。これにより、シミュレータやデバイスとの標準化された通信を可能にし、パルスレベル制御のためのOpenPulseを導入する。

ABSTRACT

As interest in quantum computing grows, there is a pressing need for standardized API's so that algorithm designers, circuit designers, and physicists can be provided a common reference frame for designing, executing, and optimizing experiments. There is also a need for a language specification that goes beyond gates and allows users to specify the time dynamics of a quantum experiment and recover the time dynamics of the output. In this document we provide a specification for a common interface to backends (simulators and experiments) and a standarized data structure (Qobj --- quantum object) for sending experiments to those backends via Qiskit. We also introduce OpenPulse, a language for specifying pulse level control (i.e. control of the continuous time dynamics) of a general quantum device independent of the specific hardware implementation.

研究の動機と目的

• Qiskit互換バックエンド（シミュレータとハードウェア）に対して共通のAPIを提供する。
• 量子実験を送信するための標準化されたQobjデータ構造を定義する。
• ハードウェア実装に依存しないパルスレベル制御のためにOpenPulseを導入する。
• Qobjデータ構造としてOpenQASM実験がどのように表現されるかを指定する。
• 堅牢な実行のためのバックエンド構成、プロパティ、デフォルト値、ステータス情報を outlining する。

提案手法

• get_backend、available_backends、run、status、result、cancel といったメソッドを持つプロバイダ-バックエンド-ジョブアーキテクチャを定義する。
• Qobjデータ構造をQASMとPULSE実験の両方に対して定義し、スキーマによる検証を行う。
• OpenQASM表現を、実験シーケンスと命令コマンド（gate、barrier、reset、measure、snapshot）を含むQobjとして指定する。
• バックエンド構成、ハミルトニアンの仕様、パルスクラフト、時系列制御を含むOpenPulseの仕様を詳述する。
• 使用法を説明するための設定例、ゲート設定、およびサンプルのOpenPulse実験を提供する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バックエンド（シミュレータとハードウェア）は、Qiskitの共通APIを介してどのようにインターフェースできるか？
• RQ2 実行と結果取得のために、OpenQASMとOpenPulse実験を表現するのに必要なデータ構造（Qobj）とスキーマは何か？
• RQ3 OpenPulseはバックエンドに依存しないまま、どのようにして異なる量子デバイス上でパルスレベルの制御を可能にできるのか？
• RQ4 OpenQASMとOpenPulse実験をサポートするために、必要な/任意のバックエンド構成、プロパティ、デフォルト値は何か？

主な発見

• 統一されたQiskit APIモデルが確立され、Provider、Backend、Job、Qobj、Resultを連携させて同時実験の実行を可能にする。
• OpenQASMまたはOpenPulseのいずれかの完全な実験をカプセル化する自己完結型のQobj JSON構造が定義され、検証のためのスキーマが提供される。
• OpenQASM実験は、定義されたシーケンスコマンドセット（gate、measure、barrier、reset、copy、boolean function、snapshot）とメモリ/レジスタの処理を用いてQobj内で表現される。
• OpenPulseは、連続時間ダイナミクスとパルスレベル制御を指定する言語として導入され、詳細なバックエンド構成、デフォルト、パルスライブラリの統合を提供する。
• この仕様は、デバイスやシミュレータなどのさまざまなバックエンドをサポートし、結果には測定データ、状態ベクトル、ユニタリ行列、スナップショットが含まれる可能性があることを概説する。