[论文解读] Qiskit Backend Specifications for OpenQASM and OpenPulse Experiments

David McKay, Thomas Alexander+18 more|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2018

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 1被引用 108

一句话总结

这篇论文定义了一个标准接口和数据结构（Qobj），用于在与 Qiskit 兼容的后端上运行 OpenQASM 和 OpenPulse 实验，实现与模拟器和设备的标准化通信，并引入用于脉冲级控制的 OpenPulse。

ABSTRACT

As interest in quantum computing grows, there is a pressing need for standardized API's so that algorithm designers, circuit designers, and physicists can be provided a common reference frame for designing, executing, and optimizing experiments. There is also a need for a language specification that goes beyond gates and allows users to specify the time dynamics of a quantum experiment and recover the time dynamics of the output. In this document we provide a specification for a common interface to backends (simulators and experiments) and a standarized data structure (Qobj --- quantum object) for sending experiments to those backends via Qiskit. We also introduce OpenPulse, a language for specifying pulse level control (i.e. control of the continuous time dynamics) of a general quantum device independent of the specific hardware implementation.

研究动机与目标

• 提供一个用于 Qiskit 兼容后端（仿真器和硬件）的通用 API。
• 定义一个用于发送量子实验的标准化 Qobj 数据结构。
• 引入 OpenPulse，以实现与硬件实现无关的脉冲级控制。
• 指定 OpenQASM 实验如何表示为 Qobj 数据结构。
• 概述用于稳健执行的后端配置、属性、默认值和状态信息。

提出的方法

• 定义一个 provider-backend-job 架构，方法包括：get_backend、available_backends、run、status、result 和 cancel。
• 描述 Qobj 数据结构用于 QASM 和 PULSE 实验及其通过模式（schemas）的验证。
• 指定 OpenQASM 表示为包含实验序列和指令命令（gate、barrier、reset、measure、snapshot）的 Qobj。
• 详细说明 OpenPulse 规范，包括后端配置、哈密顿量规格、脉冲库和时间序列控制。
• 提供示例配置、门配置，以及用于展示用法的示例 OpenPulse 实验。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过 Qiskit 中的统一 API 将后端（仿真器和硬件）进行接口化？
• RQ2 需要哪些数据结构（Qobj）和架构来表示 OpenQASM 和 OpenPulse 实验以进行执行和结果检索？
• RQ3 如何让 OpenPulse 在不同量子设备上实现脉冲级控制，同时保持后端无关性？
• RQ4 支撑 OpenQASM 与 OpenPulse 实验所需的后端配置、属性和默认值的必需与可选项有哪些？

主要发现

• 已建立统一的 Qiskit API 模型，协调 Provider、Backend、Job、Qobj 和 Result，以实现并行实验执行。
• 已定义自包含的 Qobj JSON 结构，用于封装完整的 OpenQASM 或 OpenPulse 实验，包含用于验证的 schema。
• 在 Qobj 中使用一组定义的序列命令（gate、measure、barrier、reset、copy、boolean function、snapshot）和内存/寄存器处理来表示 OpenQASM 实验。
• 引入 OpenPulse，作为用于指定连续时间动力学和脉冲级控制的语言，具有详细的后端配置、默认值和脉冲库集成。
• 该规范支持各种后端（设备或模拟器），并概述结果可能包括测量数据、状态向量、单位矩阵和快照。