[论文解读] $Q|SI angle$: A Quantum Programming Environment

Shusen Liu, Xin Wang+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2017

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 25被引用 3

一句话总结

本文介绍了 $Q|SI\rangle$，一个基于 .NET 框架构建的量子编程环境，支持通过量子扩展的 while 语言进行量子编程。该环境包含编译器、量子线路优化、仿真以及针对终止性、运行时间和不变量的新型分析工具，实现了反馈驱动的量子汇编（f-QASM）的高级、可验证的量子算法开发。

ABSTRACT

This paper describes a quantum programming environment, named $Q|SI angle$. It is a platform embedded in the .Net language that supports quantum programming using a quantum extension of the $\mathbf{while}$-language. The framework of the platform includes a compiler of the quantum $\mathbf{while}$-language and a suite of tools for simulating quantum computation, optimizing quantum circuits, and analyzing and verifying quantum programs. Throughout the paper, using $Q|SI angle$ to simulate quantum behaviors on classical platforms with a combination of components is demonstrated. The scalable framework allows the user to program customized functions on the platform. The compiler works as the core of $Q|SI angle$ bridging the gap from quantum hardware to quantum software. The built-in decomposition algorithms enable the universal quantum computation on the present quantum hardware.

研究动机与目标

• 提供一个高级、可扩展的量子编程环境，抽象量子线路细节以支持算法开发。
• 通过集成形式语义和分析工具，解决编写、验证和优化量子程序的挑战。
• 通过反馈支持的汇编语言（f-QASM）弥合量子软件与当前量子硬件之间的差距。
• 通过支持测量驱动的循环和 case 语句，实现量子算法的可扩展仿真与验证。
• 通过支持 BB84 和 Grover 搜索等实际协议的可扩展、可定制组件，推动实用量子应用开发。

提出的方法

• 该平台围绕一种量子扩展的 while 语言构建，支持基于测量的 case 和 while 构造，用于表达大规模量子算法。
• 编译器将量子 while 程序转换为 f-QASM，即 QASM 的反馈增强扩展，支持高效实现测量驱动的控制流。
• 该框架包含一个量子线路优化器，通过内置的分解算法减少门数并改善线路深度。
• 量子仿真器可在经典平台上模拟量子程序，使用伪随机采样实现测量操作。
• 程序分析器利用半定规划（SDP）计算终止概率和平均运行时间，用于循环不变量的推导。
• 系统支持与外部工具和平台的集成，包括 IBM 的量子硬件和 LIQUi|>，以实现跨平台分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计一种高级量子编程语言，以支持基于测量的控制流构造（如 case 和 while 循环）？
• RQ2 需要何种编译技术，才能将量子 while 程序转换为支持反馈的可执行量子电路？
• RQ3 如何利用半定规划对量子程序的终止性和平均运行时间进行形式化分析与验证？
• RQ4 哪些仿真与优化策略能够在当前硬件约束下实现量子算法的高效经典仿真？
• RQ5 如何扩展该平台以支持与多样化量子软件栈和真实量子硬件的集成？

主要发现

• $Q|SI\rangle$ 平台成功将量子 while 程序编译为优化后的 f-QASM 序列，支持在当前量子硬件上执行，并具备反馈功能。
• 系统在 Qloop 案例中成功模拟了类似量子行走的行为，准确反映了预测的测量概率。
• BB84 协议的仿真表明，信道噪声、采样率和分组长度显著影响密钥分发成功率，且通过 $Q|SI\rangle$ 对参数进行了调优以实现最优性能。
• Grover 搜索算法在多解场景下表现出更高的错误率，表明此类场景下需要对算法进行修改。
• 程序分析器成功利用基于 SDP 的不变量生成技术计算出终止概率和平均运行时间，实现了对量子循环的形式化验证。
• 该平台支持模块化、可扩展的量子应用开发，具备对复杂协议的支持和可扩展的线路优化能力。