[论文解读] Open Quantum Assembly Language

Andrew W. Cross, Lev S. Bishop+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 11, 2017

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 18被引用 310

一句话总结

Open QASM 2.0 定义了一个用于量子电路的人类可读中间表示，具备普适门基、参数化门、子程序、测量，以及用于硬件如 IBM Quantum Experience 的量子-经典接口。

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.

研究动机与目标

• 描述一个使 Quantum Experience 实验能够使用小深度量子电路的接口语言。
• 提供一个适用于离线编译和在线执行的量子电路中间表示。
• 定义门基和子例程机制，以从内置门构建复杂操作。
• 结合测量、重置和经典反馈，以建模量子-经典互操作。
• 提供示例和一个 Open QASM 语法以指导实现和使用。

提出的方法

• 将 Open QASM 作为基于量子电路模型的量子电路 IR 引入。
• 定义内置门基，包含单量子比特 U 门和 CX，以及声明和应用门子例程的机制。
• 提供使用 U(θ, φ, λ) 的经典寄存器、量子寄存器和参数化门的语法。
• 描述测量、重置、屏障，以及基于经典寄存器的经典 if 条件执行的语义。
• 解释不透明门声明以建模未表征或硬件特定的操作。
• 给出一个实用的语法和示例，展示隐形传输、量子傅里叶变换 (QFT)、逐次进位加法器，以及纠错电路。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何用人类可读的语言在近端量子设备上表达并控制一组通用量子操作？
• RQ2 应如何通过子例程定义和重用门，以在表达能力与硬件约束之间取得平衡？
• RQ3 如何将测量和经典反馈整合到电路执行模型中？
• RQ4 如何在不硬编码硬件细节的情况下表示运行时参数和设备特定门？
• RQ5 有哪些具有代表性的示例，用以验证 Open QASM 的设计（如隐形传态、QFT、纠错）？

主要发现

• 定义了带文本语法、版本控制，以及源代码与运行时执行分离的 Open QASM 2.0。
• 实现了内置的通用门基 U(θ, φ, λ) 和 CX，使得单量子比特和两量子比特操作成为可能。
• 通过子例程机制实现用户定义门，以创建分层门定义和并行应用。
• 包含测量、重置、屏障，以及用于基于经典寄存器控制的量子操作的 if 构造，以建模反馈。
• 提供了一个 Open QASM 语法（附录 A）和多个电路示例（隐形传态、QFT、逐次进位加法、量子纠错）以示范用法。
• 强调通过将物理门定义为抽象门来实现硬件抽象，以便在不修改 Open QASM 脚本的情况下适应硬件变化。