[论文解读] Quantum Compiling

Marco Maronese, Lorenzo Moro+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 5

一句话总结

本文系统性地综述了门模型与绝热量子计算机的量子编译技术，聚焦于连接高层量子算法与物理量子比特约束的分层架构。文章详细介绍了量子电路综合、错误校正、电路转译（transpiling）以及QUBO/HUBO问题的嵌入技术，并通过D-Wave Ocean与Cambridge Quantum的pytket等框架的实际案例，展示了NISQ时代设备中硬件感知优化与跨平台兼容性。

ABSTRACT

Quantum compiling fills the gap between the computing layer of high-level quantum algorithms and the layer of physical qubits with their specific properties and constraints. Quantum compiling is a hybrid between the general-purpose compilers of computers, transforming high-level language to assembly language and hardware synthesis by hardware description language, where functions are automatically synthesized into customized hardware. Here we review the quantum compiling stack of both gate model quantum computers and the adiabatic quantum computers, respectively. The former involves low level qubit control, quantum error correction, synthesis of short quantum circuits, transpiling, while the latter involves the virtualization of qubits by embedding of QUBO and HUBO problems on constrained graphs of physical qubits and both quantum error suppression and correction. Commercial initiatives and quantum compiling products are reviewed, including explicit programming examples.

研究动机与目标

• 系统性地回顾门模型与绝热量子计算架构中的量子编译栈。
• 解决将高层量子算法映射为受物理量子比特特性与噪声限制的机器级操作的挑战。
• 分析量子编译器如何通过优化、错误校正与嵌入实现硬件抽象并提升性能。
• 评估商业量子编译工具与框架（包括D-Wave Ocean与pytket）在互操作性与效率方面的表现。

提出的方法

• 本文采用受ISO/OSI模型启发的分层架构模型，对多个抽象层级上的量子编译进行结构化组织。
• 针对门模型量子计算机，综述了量子电路综合、转译与量子错误校正技术，以实现从逻辑门到物理操作的映射。
• 针对绝热量子计算机，分析了将逻辑QUBO/HUBO问题映射到物理量子比特连接图（如Chimera与Pegasus）的嵌入技术。
• 评估了minorminer等开源编译工具在最优嵌入方面的表现，以及pytket作为中间层编译器在支持多种量子编程语言与后端方面的功能。
• 分析包括来自D-Wave Ocean与pytket的实际代码示例，以展示真实世界的编译工作流与硬件感知优化。
• 对比商业与开源量子编译栈，强调在NISQ约束下可移植性、错误缓解与性能表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 量子编译器如何弥合高层量子算法与受限物理量子比特架构之间的语义与物理鸿沟？
• RQ2 门模型与绝热量子计算机中的量子编译栈的关键组件与层级结构是什么？
• RQ3 如minorminer等嵌入技术如何在绝热量子计算中实现对物理受限量子比特图的高效逻辑问题映射？
• RQ4 中间层编译器如pytket在实现跨多样化量子后端的硬件无关编译与优化方面，其能力达到何种程度？
• RQ5 在NISQ时代，错误校正与抑制在量子编译中扮演何种角色？

主要发现

• 量子编译栈对于将高层量子算法转化为物理硬件上的可执行操作至关重要，其包含逻辑层、错误校正层与底层控制层等不同层级。
• 嵌入技术（如minorminer）可将稀疏逻辑图映射到受限的物理量子比特连接图上，其中Pegasus架构的连接度（每量子比特15条连接）高于Chimera架构（每量子比特6条连接）。
• pytket通过共享中间表示，将来自多种语言（QASM、Quil、Qiskit、Cirq）的电路转换为优化后的、后端特定的电路，实现硬件无关编译。
• 使用中间层编译器（如t|ket⟩）可显著降低设备特定噪声的影响，并提升NISQ设备上的执行效率。
• 商业工具如D-Wave Ocean与pytket展现出实际可行性，支持可配置的嵌入精度，并兼容经典与量子软件的集成。
• 最优嵌入与电路编译需在执行时间与性能之间进行权衡，较长的优化时间可带来更优的资源利用率。