[论文解读] QFAST: Quantum Synthesis Using a Hierarchical Continuous Circuit Space

Ed Younis, Koushik Sen+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2020

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 31被引用 27

一句话总结

QFAST 是一种量子综合工具，通过结合粗粒度结构优化与细粒度功能精炼，利用分层连续电路表示，高效生成更短的量子电路。它在时间依赖演化算法中显著快于现有方法，实现近乎最优的电路深度，尤其适用于NISQ时代设备。该工具支持跨不同门集的可组合、拓扑感知综合。

ABSTRACT

We present QFAST, a quantum synthesis tool designed to produce short circuits and to scale well in practice. Our contributions are: 1) a novel representation of circuits able to encode placement and topology; 2) a hierarchical approach with an iterative refinement formulation that combines "coarse-grained" fast optimization during circuit structure search with a good, but slower, optimization stage only in the final circuit instantiation stage. When compared against state-of-the-art techniques, although not optimal, QFAST can generate much shorter circuits for "time dependent evolution" algorithms used by domain scientists. We also show the composability and tunability of our formulation in terms of circuit depth and running time. For example, we show how to generate shorter circuits by plugging in the best available third party synthesis algorithm at a given hierarchy level. Composability enables portability across chip architectures, which is missing from the available approaches.

研究动机与目标

• 解决现有量子综合工具在NISQ时代设备中面临的可扩展性与电路长度限制问题。
• 开发一种兼顾速度与电路质量的综合方法，在保持可接受运行时间的前提下，生成比快速方法更短的电路。
• 实现拓扑感知综合，适应不同量子硬件架构而无需重新实现。
• 提供可组合框架，支持在不同量子比特粒度层级上集成第三方综合算法。
• 通过时间依赖哈密顿量模拟，提升领域科学家在量子电路生成中的实用性。

提出的方法

• QFAST 使用分层连续空间表示电路，编码多量子比特门的布局与拓扑结构。
• 采用两阶段迭代精炼过程：首先进行粗粒度探索以确定模块布局，随后进行细粒度精炼以优化门功能。
• 算法从较大的 m-量子比特模块（m < n）开始，递归地将其分解为更小的模块，直至达到两量子比特门，此时应用 KAK 分解以确保最优性。
• 通过数值优化，在每一层分层结构上最小化合成电路的幺正矩阵与目标幺正矩阵之间的距离。
• 该方法支持在任意分层级别集成第三方综合算法插件，实现跨门集的可组合性与可重定向性。
• 使用多量子比特算符的连续表示，以实现高效的数值优化，而非组合搜索。

实验结果

研究问题

• RQ1 分层连续优化方法是否能在保持可接受运行时间的前提下，生成比现有最先进快速综合工具更短的量子电路？
• RQ2 QFAST 的可组合性如何支持其在不同量子硬件架构与门集之间的重定向？
• RQ3 与纯组合方法或基于线性代数的方法相比，分层精炼结合粗粒度与细粒度优化阶段，在电路深度与可扩展性方面能提升多少？
• RQ4 与最优但缓慢的技术（如 Davis 等人 [9] 提出的 A* 方法）相比，QFAST 在电路深度与运行时间方面表现如何？
• RQ5 QFAST 是否能有效降低实际领域特定电路（如 VQE、QAOA 和时间依赖哈密顿量模拟）的电路深度？

主要发现

• 与快速综合技术相比，QFAST 显著降低了电路深度，尤其在时间依赖演化算法中表现更优，实际电路质量超越现有工具。
• 与最优但缓慢的综合公式相比，QFAST 的可扩展性显著更好，在 NISQ 设备上以可接受的运行时间实现近乎最优的电路深度。
• QFAST 在运行时间可控的前提下，进一步降低了电路深度，接近最优技术的性能，同时保持实际执行效率。
• 分层连续表示使 QFAST 能够通过可调的量子比特粒度与第三方合成器插件集成，实现电路深度与运行时间之间的有效权衡。
• QFAST 展现出强大的可组合性，支持在任意分层级别无缝集成外部合成算法（如 KAK 分解或 Clifford+T 近似）。
• 在 VQE、QAOA 和 TFIM 等基准电路上的评估表明，QFAST 始终生成比最先进快速综合工具更短的电路，即使在非最优情况下亦如此。