[论文解读] Quanto: Optimizing Quantum Circuits with Automatic Generation of Circuit Identities

Jessica Pointing, Oded Padon+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 13

一句话总结

Quanto 是首个量子线路优化器，通过符号枚举和矩阵等价性检查，自动为任意门集生成可证明正确的线路等价关系。它将这些等价关系应用于减少线路深度，超越了 Qiskit 和 Tket 等现有编译器，通过基于成本的搜索与替换，在逻辑线路层面实现显著优化。

ABSTRACT

Existing quantum compilers focus on mapping a logical quantum circuit to a quantum device and its native quantum gates. Only simple circuit identities are used to optimize the quantum circuit during the compilation process. This approach misses more complex circuit identities, which could be used to optimize the quantum circuit further. We propose Quanto, the first quantum optimizer that automatically generates circuit identities. Quanto takes as input a gate set and generates provably correct circuit identities for the gate set. Quanto's automatic generation of circuit identities includes single-qubit and two-qubit gates, which leads to a new database of circuit identities, some of which are novel to the best of our knowledge. In addition to the generation of new circuit identities, Quanto's optimizer applies such circuit identities to quantum circuits and finds optimized quantum circuits that have not been discovered by other quantum compilers, including IBM Qiskit and Cambridge Quantum Computing Tket. Quanto's database of circuit identities could be applied to improve existing quantum compilers and Quanto can be used to generate identity databases for new gate sets.

研究动机与目标

• 解决现有量子编译器依赖硬编码、简单优化规则的局限性。
• 实现对任意门集的复杂、可证明正确的线路等价关系的自动发现。
• 通过在编译过程中应用新生成的等价关系，减少量子线路深度和噪声。
• 创建可重用的线路等价关系数据库，以提升现有及未来的量子编译器性能。

提出的方法

• 使用符号枚举生成给定门集下固定深度和量子比特数的所有可能量子线路。
• 采用矩阵等价性检查（在浮点精度范围内）识别等价线路并提取等价关系。
• 构建基于成本的搜索算法，以选择并应用最有效的等价关系进行线路优化。
• 通过 QASM 输入支持模块化集成，并以 QASM 或 Qiskit 格式输出优化后的线路。
• 逐块应用替换操作，同时保持门的一致性和连通性。
• 采用两阶段流水线：离线等价关系生成，随后使用等价关系数据库进行在线线路优化。

实验结果

研究问题

• RQ1 自动生成线路等价关系是否能实现比基于规则的编译器更深层次的量子线路优化？
• RQ2 发现新颖且非平凡的线路等价关系对线路深度减少有何影响？
• RQ3 基于成本的搜索策略与手工设计的规则序列相比，在优化效果上表现如何？
• RQ4 生成的等价关系数据库是否可跨不同编译器和门集复用？
• RQ5 自动等价关系生成在深度减少方面，能在多大程度上超越现有工具如 Qiskit 和 Tket？

主要发现

• Quanto 自动生成了一个新的、可证明正确的线路等价关系数据库，其中包含此前未知的新颖等价关系。
• 该优化器在深度减少方面超越了 Qiskit 和 Tket 可实现的水平，展现出更优的优化能力。
• 该系统成功识别并应用了现有基于规则的优化器无法捕捉的复杂等价关系。
• 通过基于成本的搜索选择最有效的等价关系替换，实现了优化。
• 该方法具有通用性，可为任意门集（包括自定义或新兴门集）生成等价关系数据库。
• 实现支持 QASM 和 Qiskit 等标准格式，确保与现有量子软件栈的兼容性。