[论文解读] Qrisp: A Framework for Compilable High-Level Programming of Gate-Based Quantum Computers

Raphael Seidel, Sebastian Böck+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 20, 2024

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 11

一句话总结

本文介绍了 Qrisp，这是一个将高级量子程序编译为基于门的电路以用于量子硬件的框架，通过一个示例电路展示了包含 H 门和模块如 sqrt_oracle 和 diffuser。

ABSTRACT

While significant progress has been made on the hardware side of quantum computing, support for high-level quantum programming abstractions remains underdeveloped compared to classical programming languages. In this article, we introduce Qrisp, a framework designed to bridge several gaps between high-level programming paradigms in state-of-the-art software engineering and the physical reality of today's quantum hardware. The framework aims to provide a systematic approach to quantum algorithm development such that they can be effortlessly implemented, maintained and improved. We propose a number of programming abstractions that are inspired by classical paradigms, yet consistently focus on the particular needs of a quantum developer. Unlike many other high-level language approaches, Qrisp's standout feature is its ability to compile programs to the circuit level, making them executable on most existing physical backends. The introduced abstractions enable the Qrisp compiler to leverage algorithm structure for increased compilation efficiency. Finally, we present a set of code examples, including an implementation of Shor's factoring algorithm. For the latter, the resulting circuit shows significantly reduced quantum resource requirements, strongly supporting the claim that systematic quantum algorithm development can give quantitative benefits.

研究动机与目标

• 为基于门的量子计算机提供可编译的高级编程模型的必要性提供动机。
• 提出一个框架（Qrisp），以桥接高级量子编程与门级硬件表示。
• 在可编译电路中实现量子子程序（如 oracle、diffusion 运算符）的结构化组合。
• 为将抽象量子算法转换为可执行的门序列提供路径。

提出的方法

• 引入一个框架，将高级量子结构映射到与基于门的硬件兼容的门级电路。
• 在编译后的电路中演示如 Hadamard 门、sqrt_oracle 块和 diffuser 块等电路组件。
• 概述包括子电路（如 oracle/diffuser 模式）及其集成到较大电路中的编译方法。
• 讨论如何将辅助寄存器（如 sbp_anc、mul_res）纳入门级表示。
• 引用一个具体电路示例以说明从高级设计到低级门的翻译。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何将高级量子程序编译成与现有量子硬件兼容的高效基于门的电路？
• RQ2 在可编译框架中模块化子例程（如 oracle 和 diffuser）的作用是什么，它们如何映射到门？
• RQ3 Qrisp 如何在可编译流水线中管理辅助寄存器和多寄存器交互？
• RQ4 在 Qrisp 中将高级结构转换为门序列时的标准是什么（深度、门数、保真度）？

主要发现

• 所提供的摘录显示了一个包含 Hadamard 门以及标记为 sqrt_oracle 和 diffuser 的块的门级电路。
• 该电路还包括连接到 oracle/diffuser 块的辅助线与结果线（sbp_anc、mul_res）。
• 在可用文本摘录中未包含定量结果或性能指标。
• 摘录展示了可编译电路的结构，而不是提供经验评估。
• 总体而言，内容展示了在 Qrisp 框架内将高级结构整合到门级电路中的情况。