[论文解读] cQASM v1.0: Towards a Common Quantum Assembly Language

N. Khammassi, Gian Giacomo Guerreschi+4 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2018

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 10被引用 29

一句话总结

本文介绍了 cQASM v1.0，这是一种标准化的、与硬件无关的量子汇编语言，旨在统一各类量子工具中的异构 QASM 语言变体。通过抽象化底层硬件细节并实现互操作性，cQASM 使得量子电路在不同平台间能够实现无缝编译、仿真与执行，为量子计算社区构建了基础性工具箱。

ABSTRACT

The quantum assembly language (QASM) is a popular intermediate representation used in many quantum compilation and simulation tools to describe quantum circuits. Currently, multiple different dialects of QASM are used in different quantum computing tools. This makes the interaction between those tools tedious and time-consuming due to the need for translators between theses different syntaxes. Beside requiring a multitude of translators, the translation process exposes the constant risk of loosing information due to the potential incompatibilities between the different dialects. Moreover, several tools introduce details of specific target hardware or qubit technologies within the QASM syntax and prevent porting the code to other hardwares. In this paper, we propose a common QASM syntax definition, named cQASM, which aims to abstract away qubit technology details and guarantee the interoperability between all the quantum compilation and simulation tools supporting this standard. Our vision is to enable an extensive quantum computing toolbox shared by all the quantum computing community.

研究动机与目标

• 解决量子工具中量子汇编语言（QASM）的碎片化问题，该问题阻碍了工具间的互操作性，并在转换过程中可能导致信息丢失。
• 创建一种通用的、与硬件无关的量子汇编语言，作为量子电路的标准化中间表示。
• 通过模块化且可扩展的语法，支持多样化的量子计算需求，包括变分算法、错误校正和前馈操作。
• 通过抽象化量子比特技术特异性细节，实现长期的工具兼容性和代码可移植性。
• 为一个共享的量子计算生态系统奠定基础，使工具能够通过单一标准化语言实现互操作。

提出的方法

• 定义一种最小化、与硬件无关的 QASM 语法，抽象出特定量子比特技术与微架构的细节。
• 引入结构化语法用于定义量子比特、测量寄存器、量子门和电路定义，以确保清晰性和一致性。
• 引入可选扩展，支持高级功能，如门级并行性（SGMQ）、循环结构和动态测量平均。
• 通过专用命令支持变分量子算法，用于估计非对易可观测量的期望值。
• 设计语言时考虑可扩展性，支持未来增加经典控制流、条件操作和子电路复用功能。
• 整合来自多方利益相关者（如 IBM、Intel 和学术研究机构）的反馈，以确保社区广泛认同并具备实际可用性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计一种通用的量子汇编语言，以统一现有各类不兼容的 QASM 语言变体？
• RQ2 哪些语法和语义特性是支持近期量子算法（如变分量子特征值求解器和量子采样）所必需的？
• RQ3 如何在保持对低级优化和调度支持的前提下，实现与硬件无关的量子电路表示？
• RQ4 需要哪些机制来实现量子编译器、模拟器和硬件后端之间的互操作性？
• RQ5 为支持未来量子算法的发展（包括经典-量子交互和动态电路控制），需要哪些扩展？

主要发现

• cQASM v1.0 提供了一种标准化的、与硬件无关的量子汇编语言，统一了异构的 QASM 语言变体，显著降低了转换开销和信息丢失风险。
• 该语言通过专用命令支持关键的近期量子工作负载，包括变分量子算法，可实现对非对易可观测量期望值的测量。
• cQASM 支持通过 SGMQ 指令实现门级并行性，能够紧凑表达量子电路，提升调度与仿真效率。
• 语言包含用于基本量子电路的最小核心语法，以及支持高级用例（如循环和测量平均）的可扩展特性。
• 规范设计具备演进能力，未来计划支持经典控制流、条件操作和子电路复用。
• 社区驱动的设计过程已整合来自主要量子研究机构和产业实验室的反馈，确保了广泛的相关性和潜在采纳前景。