[论文解读] InQuIR: Intermediate Representation for Interconnected Quantum Computers

S. Nishio, Ryo Wakizaka|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2023

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 4

一句话总结

本文提出了 InQuIR，一种用于互连量子计算机的正式形式中间表示，可实现对分布式量子程序的精确建模，包括跨多个处理器的通信与计算。它为静态验证、资源估算以及工具链提供了基础，可检测死锁和量子比特耗尽等问题，从而提升在异构架构中编译后量子程序的可重用性与可靠性。

ABSTRACT

Various physical constraints limit the number of qubits that can be implemented in a single quantum processor, and thus it is necessary to connect multiple quantum processors via quantum interconnects. While several compiler implementations for interconnected quantum computers have been proposed, there is no suitable representation as their compilation target. The lack of such representation impairs the reusability of compiled programs and makes it difficult to reason formally about the complicated behavior of distributed quantum programs. We propose InQuIR, an intermediate representation that can express communication and computation on distributed quantum systems. InQuIR has formal semantics that allows us to describe precisely the behaviors of distributed quantum programs. We give examples written in InQuIR to illustrate the problems arising in distributed programs, such as deadlock. We present a roadmap for static verification using type systems to deal with such a problem. We also provide software tools for InQuIR and evaluate the computational costs of quantum circuits under various conditions. Our tools are available at https://github.com/team-InQuIR/InQuIR.

研究动机与目标

• 解决在互连量子处理器上运行的分布式量子程序缺乏标准化编译目标的问题。
• 支持对分布式量子程序中复杂行为（如通信模式、资源消耗和运行时错误）的形式化推理。
• 提升编译后量子程序在不同量子硬件架构间的可重用性与可移植性。
• 支持静态验证技术（尤其是类型系统），在执行前检测死锁和量子比特耗尽等错误。
• 提供软件工具链，用于性能评估、资源估算，并支持从 OpenQASM 等现有格式到 InQuIR 的编译。

提出的方法

• 设计 InQuIR 作为具有明确定义语法和操作语义的正式中间表示，用于分布式量子计算。
• 定义指令集，以建模远程量子操作、纠缠分发（如 EPR 对）以及跨处理器的量子比特管理。
• 提出一种依赖感知的执行模型，通过跟踪数据与通信依赖关系来建模异步程序行为。
• 提出基于线性类型与多方会话类型的类型系统，以静态验证死锁自由性与资源消耗。
• 实现一个软件工具链，包括从 OpenQASM 的编译器前端、运行时求值器以及用于电路成本分析的资源估算器。
• 利用形式化语义，实现对程序行为（包括量子比特内存耗尽和通信死锁等错误状态）的精确推理。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何正式表示跨越多个互连量子处理器的分布式量子程序？
• RQ2 分布式量子程序中的关键故障模式（如死锁或资源耗尽）是什么？如何对它们进行建模？
• RQ3 能否设计一种类型系统，以静态方式检测异步分布式量子程序中的运行时错误（如死锁）？
• RQ4 如何在一种与架构无关的中间表示中，对资源消耗（如量子比特、EPR 对、电路深度）进行估计与优化？
• RQ5 InQuIR 作为 NISQ 与容错量子计算系统编译目标的可行性如何？

主要发现

• InQuIR 能够成功建模复杂的分布式量子行为，包括远程操作、纠缠分发以及跨多个处理器的通信协议。
• InQuIR 的形式化语义支持对程序执行的精确、机器可检查的推理，能够准确建模异步与并发行为。
• 本文通过具体示例展示了死锁与量子比特内存耗尽等运行时错误，并表明可通过形式化分析进行检测。
• 提出了使用线性类型与多方会话类型进行静态验证的路线图，为在编译时预防死锁与资源误用提供了可行路径。
• 所实现的工具链支持对 InQuIR 程序的性能评估与资源估算，支持从 OpenQASM 编译，并具备扩展至其他输入格式的潜力。
• InQuIR 具有足够的通用性，可支持未来架构，包括容错量子计算与 NUMA 类模型，且具备动态重调度扩展的潜力。