[论文解读] A Uniform Representation of Classical and Quantum Source Code for Static Code Analysis

Maximilian Kaul, Alexander Küchler+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 11, 2023

Quantum Computing Algorithms and ArchitectureComputer Science参考文献 36被引用 3

一句话总结

本文提出了一种统一的静态分析框架，使用扩展的代码属性图（CPG）来共同分析经典代码和量子代码。通过在 CPG 中引入量子特定的节点和边（如量子比特依赖、量子门和经典-量子接口），该框架实现了对 Qiskit 和 OpenQASM 中混合程序的跨领域分析，支持在单一、可扩展的表示中检测错误、数据流问题以及复杂度度量。

ABSTRACT

The emergence of quantum computing raises the question of how to identify (security-relevant) programming errors during development. However, current static code analysis tools fail to model information specific to quantum computing. In this paper, we identify this information and propose to extend classical code analysis tools accordingly. Among such tools, we identify the Code Property Graph to be very well suited for this task as it can be easily extended with quantum computing specific information. For our proof of concept, we implemented a tool which includes information from the quantum world in the graph and demonstrate its ability to analyze source code written in Qiskit and OpenQASM. Our tool brings together the information from the classical and quantum world, enabling analysis across both domains. By combining all relevant information into a single detailed analysis, this powerful tool can facilitate tackling future quantum source code analysis challenges.

研究动机与目标

• 为解决缺乏能够共同分析经典与量子代码的静态分析工具，特别是针对两者之间的接口部分。
• 识别混合量子程序中常见的错误模式，如未使用的测量结果量子比特、恒定条件和冗余操作。
• 扩展代码属性图（CPG）以支持量子特定语义，从而实现可扩展的、与语言无关的量子程序分析。
• 在统一的图模型中实现对量子电路复杂度度量和安全相关特性的自动测量。

提出的方法

• 在现有 CPG 框架基础上，新增节点和边类型以建模量子操作、量子比特寄存器以及量子门依赖关系。
• 引入量子特定组件，如量子比特节点、量子门边以及纠缠关系追踪，以表示量子态的演化过程。
• 通过增强的执行依赖图（EOG）和数据依赖图（DFG）边，建模经典与量子部分之间的控制流和数据流，实现跨经典-量子边界的连接。
• 使用 Qiskit（基于 Python）和 OpenQASM 的语言前端，将源代码解析为扩展后的 CPG 结构。
• 通过图查询检测已知的错误模式，如未使用的输出位、恒定的经典位以及冗余操作。
• 通过遍历扩展图结构，自动计算量子电路复杂度度量，包括深度、宽度和门数量。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计一个单一、统一的静态分析框架，以共同分析混合程序中的经典与量子代码？
• RQ2 在经典控制逻辑与量子操作的接口处，量子程序中常见的关键错误模式是什么？
• RQ3 如何扩展代码属性图（CPG）以建模量子特定概念，如量子比特纠缠、门操作和量子内存？
• RQ4 在扩展的 CPG 上使用图查询，能否检测出已知的安全性和正确性相关错误？
• RQ5 在多大程度上能从统一的图表示中自动推导出量子电路的复杂度度量？

主要发现

• 扩展后的量子代码属性图（QCPG）成功地在一个统一且一致的图结构中建模了经典与量子代码，实现了跨领域的分析能力。
• 原型实现通过针对性的图查询，检测到已知的错误模式，如未使用的输出量子比特、恒定的经典位以及冗余的量子操作。
• 该框架支持自动计算量子电路复杂度度量，包括深度、宽度和门数量，这些度量对评估在真实硬件上的可行性至关重要。
• 该方法具有良好的可扩展性，支持多种量子编程语言，原型中已原生支持 Qiskit 和 OpenQASM。
• 该方法能够分析经典与量子组件之间的数据流和控制流，这对于识别混合程序中细微的逻辑错误至关重要。
• 该解决方案保持与现有 CPG 分析的向后兼容性，使得经典代码分析可照常进行，同时增加了对量子感知的推理能力。