[论文解读] CertiQ: A Mostly-automated Verification of a Realistic Quantum Compiler

Yunong Shi, Runzhou Tao+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2019

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 30被引用 10

一句话总结

CertiQ 是一个用于 Qiskit 中真实世界量子编译器优化的大部分自动化验证框架，通过量子电路演算将电路等价性检查编码为 SMT 问题。它仅需极少的手动注释，即可对 30 个 Qiskit 编译器优化中的 26 个实现形式化验证，检测出三个错误，并在保持性能的同时确保正确性。

ABSTRACT

We present CertiQ, a verification framework for writing and verifying compiler passes of Qiskit, the most widely-used quantum compiler. To our knowledge, CertiQ is the first effort enabling the verification of real-world quantum compiler passes in a mostly-automated manner. Compiler passes written in the CertiQ interface with annotations can be used to generate verification conditions, as well as the executable code that can be integrated into Qiskit. CertiQ introduces the quantum circuit calculus to enable the efficient checking of equivalence of quantum circuits by encoding such a checking procedure into an SMT problem. CertiQ also provides a verified library of widely-used data structures, transformation functions for circuits, and conversion functions for different quantum data representations. This verified library not only enables modular verification but also sheds light on future quantum compiler design. We have re-implemented and verified 26 (out of 30) Qiskit compiler passes in CertiQ, during which three bugs are detected in the Qiskit implementation. Our verified compiler pass implementations passed all of Qiskit's regression tests without showing noticeable performance loss.

研究动机与目标

• 为近期量子计算中关键的量子编译器验证需求提供支持，因为错误可能导致数百万次运行结果被破坏。
• 克服现有形式化验证工具的局限性，这些工具依赖人工操作、复杂且不适用于像 Qiskit 这样快速演进的量子编译器。
• 实现可扩展的、自动化的实际量子编译器优化验证，而无需开发者具备证明助手的深入知识。
• 提供一个经过验证的、模块化的量子电路变换库，保持语义不变，并支持组合式验证。
• 将经过验证的编译器优化模块直接集成到 Qiskit 中，且不造成性能损失，确保在回归测试中保持正确性。

提出的方法

• 提出一种量子电路演算，支持量子电路的符号化表示与执行，通过 SMT 编码实现高效的等价性检查。
• 利用符号执行结果和从已验证变换中提取的重写规则，将编译器优化的验证条件编码为 SMT 公式。
• 采用一个经过验证的、高层级的、语义保持的量子电路变换库，以模块化方式组织证明，减轻验证负担。
• 仅在循环不变量和外部函数契约处使用注释，最大限度减少手动规格化工作量，实现“大部分自动化”的验证。
• 利用最先进的 SMT 求解器（如 Z3）检查电路等价性，无需完整的矩阵表示，避免指数级开销。
• 从同一份 CertiQ 验证过的源代码中，同时生成可执行的、优化后的 Qiskit 优化模块和机器可检查的证明。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否以极少的人工干预实现对真实世界量子编译器优化的形式化验证，从而在实践中实现可扩展性？
• RQ2 能否使基于 SMT 的量子电路等价性检查在不依赖完整指称语义的前提下，高效且实用地应用于编译器验证？
• RQ3 经过验证的量子电路变换库能否支持模块化、可组合的复杂编译器优化验证？
• RQ4 能否在不造成性能下降的前提下，将经过验证的优化模块集成到 Qiskit 这类生产级编译器中？
• RQ5 形式化验证能否检测出现有量子编译器实现中此前未被发现的真实错误？

主要发现

• CertiQ 已成功验证了 30 个 Qiskit 编译器优化中的 26 个，证明了在真实世界量子编译器验证中的可行性。
• 在验证过程中，发现了原始 Qiskit 实现中三个此前未被发现的错误。
• 所有经过验证的编译器优化都通过了 Qiskit 的完整回归测试套件，证实了其在实际应用中的功能正确性。
• 使用高层变换函数验证优化模块耗时仅数秒，而基于低层规则的优化模块验证时间不足一分钟。
• 在执行基准测试中，经过验证的优化模块与原始 Qiskit 实现相比，未表现出明显的性能损失。
• 该框架实现了大部分自动化验证，仅需极少注释，显著降低了量子编译器开发者的证明负担。