[論文レビュー] Qrisp: A Framework for Compilable High-Level Programming of Gate-Based Quantum Computers

Raphael Seidel, Sebastian Böck+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 20, 2024

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 11

ひとこと要約

この論文は Qrisp を提示します。高レベルの量子プログラムをゲートベースの回路へとコンパイルするためのフレームワークであり、Hゲートを含むサンプル回路と sqrt_oracle や diffuser のようなモジュールによって示されています。

ABSTRACT

While significant progress has been made on the hardware side of quantum computing, support for high-level quantum programming abstractions remains underdeveloped compared to classical programming languages. In this article, we introduce Qrisp, a framework designed to bridge several gaps between high-level programming paradigms in state-of-the-art software engineering and the physical reality of today's quantum hardware. The framework aims to provide a systematic approach to quantum algorithm development such that they can be effortlessly implemented, maintained and improved. We propose a number of programming abstractions that are inspired by classical paradigms, yet consistently focus on the particular needs of a quantum developer. Unlike many other high-level language approaches, Qrisp's standout feature is its ability to compile programs to the circuit level, making them executable on most existing physical backends. The introduced abstractions enable the Qrisp compiler to leverage algorithm structure for increased compilation efficiency. Finally, we present a set of code examples, including an implementation of Shor's factoring algorithm. For the latter, the resulting circuit shows significantly reduced quantum resource requirements, strongly supporting the claim that systematic quantum algorithm development can give quantitative benefits.

研究の動機と目的

• ゲートベースの量子コンピュータのためのコンパイル可能な高レベルプログラミングモデルの必要性を動機づける。
• 高レベルの量子プログラミングとゲートレベルのハードウェア表現を bridge するフレームワーク（Qrisp）を提案する。
• コンパイル可能な回路内で量子サブルーチン（例：オラクル、拡散演算子）を構造化して組成できるようにする。
• 抽象的な量子アルゴリズムを実行可能なゲート列へ翻訳する道筋を提供する。

提案手法

• 高レベルの量子構成をゲートレベル回路にマップし、ゲートベースのハードウェアと互換性を持たせるフレームワークを紹介する。
• Compiled circuit 内で Hadamard gates、sqrt_oracle ブロック、diffuser ブロックなどの回路部品をデモンストレーションする。
• サブ回路（例：oracle/diffuser パターン）を含み、それらをより大きな回路へ統合するというコンパイル手法を概説する。
• 補助的なレジスタ（例：sbp_anc、mul_res）などをゲートレベル表現へ組み込む方法を議論する。
• 高レベル設計から低レベルゲートへの翻訳を示す具体的な回路例を参照する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高レベルの量子プログラムを既存の量子ハードウェアと互換性のある効率的なゲートベース回路へどのようにコンパイルできるか？
• RQ2 コンパイル可能なフレームワークにおけるモジュラーなサブルーチン（オラクルやディフューザーなど）の役割は何か、そしてそれらをゲートへどうマッピングするのか？
• RQ3 補助レジスタとマルチレジスタ相互作用を、コンパイル可能なパイプライン内で Qrisp はどのように扱うのか？
• RQ4 高レベルの構成からゲート列への翻訳を指示する基準（深さ、ゲート数、忠実度）は何か？

主な発見

• 提供された抜粋には Hadamard ゲートと sqrt_oracle および diffuser とラベル付けされたブロックを含むゲートベース回路が示されている。
• 回路には oracle/diffuser ブロックに接続された補助ワイヤと結果ワイヤ（sbp_anc、mul_res）も含まれている。
• 利用可能なテキスト抜粋には定量的な結果や性能指標は含まれていない。
• 抜粋は実験的評価を提示するよりも、コンパイラ可能な回路の構造を示している。
• 全体として、内容は Qrisp フレームワーク内で高レベル構成をゲートレベル回路へ統合することを示している。