[论文解读] QFAST: Conflating Search and Numerical Optimization for Scalable Quantum Circuit Synthesis

Ed Younis, Koushik Sen+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 4

一句话总结

QFAST 是一种可扩展的量子线路合成算法，通过将电路结构的穷举搜索替换为在通用门中编码电路拓扑和酉变换的高效数值优化，实现了近似最优的线路深度——在最多四量子比特的情况下，线路深度仅为最优值的1.19倍，同时将编译速度提升了3.55倍，并可扩展至七量子比特，生成的线路相比 Qiskit 的基于规则的方法最短缩短了331倍。

ABSTRACT

We present a quantum synthesis algorithm designed to produce short circuits and to scale well in practice. The main contribution is a novel representation of circuits able to encode placement and topology using generic "gates", which allows the QFAST algorithm to replace expensive searches over circuit structures with few steps of numerical optimization. When compared against optimal depth, search based state-of-the-art techniques, QFAST produces comparable results: 1.19x longer circuits up to four qubits, with an increase in compilation speed of 3.6x. In addition, QFAST scales up to seven qubits. When compared with the state-of-the-art "rule" based decomposition techniques in Qiskit, QFAST produces circuits shorter by up to two orders of magnitude (331x), albeit 5.6x slower. We also demonstrate the composability with other techniques and the tunability of our formulation in terms of circuit depth and running time.

研究动机与目标

• 解决搜索型量子线路合成算法在 NISQ 时代设备上的可扩展性限制。
• 通过在紧凑的、拓扑感知的门表示上进行数值优化，取代组合搜索，以减少线路深度和编译时间。
• 实现与现有原生门合成工具的可组合性，并在线路深度与运行时间之间实现可调性。
• 在保持高质量近似的同时，将量子线路合成扩展至四量子比特以上。
• 提供一种实用的、近似的合成框架，平衡深度、速度与硬件感知能力，适用于现实世界的量子算法。

提出的方法

• QFAST 采用三阶段分层合成方法：首先，利用编码了酉函数和量子比特位置信息的通用 m-量子比特门（m < n）构建电路。
• 每个通用门通过一次数值优化步骤进行特化，以最小化与目标酉算符的距离，采用拓扑感知的公式化方法。
• 该算法自底向上进行，将已优化的小型门组合为更大的门，直至构建出完整的 n-量子比特电路。
• 最终电路通过第三方工具提供的原生门分解重新组装，从而实现与现有合成流水线的可组合性。
• 该方法将通用门空间中的目标函数与原生门空间解耦，实现对近似的细粒度控制。
• QFAST 支持任意门集和量子比特连通性，使其可适配不同的量子硬件目标。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种量子线路合成算法，在扩展至四量子比特以上时仍能实现近似最优的线路深度？
• RQ2 能否通过在拓扑感知框架下用数值优化替代组合搜索，显著减少编译时间而不牺牲线路质量？
• RQ3 在电路深度和执行时间方面，QFAST 与最优搜索型方法（如 QSearch）和基于规则的编译器（如 Qiskit）相比表现如何？
• RQ4 QFAST 在多大程度上可与现有原生门合成工具组合使用，以提升可扩展性和近似质量？
• RQ5 该框架能否根据应用需求，实现线路深度与编译时间之间的可调性？

主要发现

• QFAST 生成的线路平均比 QSearch 生成的最优深度线路长1.19倍，但编译速度提升3.55倍。
• QFAST 可扩展至七量子比特，显著优于当前最先进的搜索型方法通常仅支持四量子比特的限制。
• 与 IBM Qiskit 的基于规则的分解相比，QFAST 生成的线路平均缩短了156倍，仅付出15倍的运行时间代价。
• 与 Qiskit 的编译流水线直接对比时，QFAST 生成的线路平均缩短10倍，展现出更强的优化能力。
• 该算法支持与多种原生门合成工具（包括 KAK、QSearch 和 Qiskit 的原生分解器）的可组合性，提升了灵活性和可移植性。
• 通过使用同时编码功能和位置信息的通用门，QFAST 可将昂贵的电路结构搜索替换为每个门仅一次数值优化步骤。