[논문 리뷰] Open Quantum Assembly Language

Andrew W. Cross, Lev S. Bishop외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 11.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 18인용 수 310

한 줄 요약

Open QASM 2.0은 양자 회로를 위한 인간이 읽을 수 있는 중간 표현을 정의하며, 보편 게이트 기초, 매개변수화 게이트, 하위 루틴, 측정, 그리고 IBM Quantum Experience와 같은 하드웨어를 위한 양자-고전 인터페이스를 특징으로 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• Quantum Experience에 대한 실험을 소 깊이의 양자 회로로 가능하게 하는 인터페이스 언어를 설명한다.
• 오프라인 컴파일링 및 온라인 실행에 적합한 양자 회로의 중간 표현을 제공한다.
• 내장 게이트로부터 복잡한 동작을 구성하기 위해 게이트 기초 및 서브루틴 메커니즘을 정의한다.
• 양자-고전 상호작용을 모델링하기 위해 측정, 리셋 및 고전 피드백을 포함한다.
• 구현 가이드와 사용 예를 제공하기 위해 Open QASM 문법을 제시한다.

제안 방법

• 양자 회로 모델에 기초한 양자 회로 IR로서의 Open QASM 소개.
• 단일 큐비트 U 게이트와 CNOT를 포함하는 내장 게이트 기초를 정의하고, 게이트 서브루틴을 선언하고 적용하는 메커니즘을 제공한다.
• U(θ, φ, λ)를 사용한 고전 레지스터, 양자 레지스터 및 매개변수화 게이트의 구문을 제공한다.
• 측정, 리셋, 바리어, 고전 레지스터를 기반으로 한 고전-조건 실행의 의미를 설명한다.
• 특성 미확인 또는 하드웨어 특수 연산을 모델링하기 위한 불투명 게이트 선언을 설명한다.
• 텔레포테이션, QFT, 리플-캐리 합산기 및 오류 수정 회로를 시연하는 실용 문법과 예제를 제시한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 가까운 미래의 양자 장치에서 인간이 읽을 수 있는 언어로 보편적인 양자 연산 집합을 어떻게 표현하고 제어할 수 있는가?
• RQ2 표현력을 하드웨어 제약과 균형 있게 하기 위해 게이트를 서브루틴으로 정의하고 재사용하는 방법은 무엇인가?
• RQ3 측정 및 고전적 피드백을 회로 실행 모델에 어떻게 통합할 수 있는가?
• RQ4 런타임 매개변수 및 디바이스 특화 게이트를 하드웨어 세부 정보를 하드코딩하지 않고 어떻게 표현할 수 있는가?
• RQ5 Open QASM 설계를 검증하는 대표적 예(예: 텔레포테이션, QFT, 오류 수정)들은 무엇인가?

주요 결과

• 텍스트 기반 구문, 버전 관리 및 소스와 런타임 실행 간의 관심사 분리를 갖춘 Open QASM 2.0을 정의했다.
• U(θ, φ, λ)와 CX를 내장한 보편 게이트 기초를 구현하여 단일 및 이큐비트, 이큐비트 간 연산을 가능하게 했다.
• 게이트를 서브루틴 메커니즘을 통해 사용자 정의 게이트를 허용하여 계층적 게이트 정의 및 병렬 적용을 가능하게 했다.
• 측정, 리셋, 바리어, 그리고 고전적으로 제어되는 양자 연산을 위한 if 구문을 포함시켜 피드백 모델링을 가능하게 했다.
• Open QASM 문법(Appendix A)과 여러 회로 예제(텔레포테이션, QFT, 리플-캐리 합산기, QEC)를 제공하여 사용법을 설명했다.
• 하드웨어 추상화를 강조하여 추상 게이트로 물리 게이트를 정의함으로써 Open QASM 스크립트를 변경하지 않고도 하드웨어 변경을 수용할 수 있게 했다.