[论文解读] VeriQBench: A Benchmark for Multiple Types of Quantum Circuits

Kean Chen, Wang Fang+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2022

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 8

一句话总结

VeriQBench 是一个针对多种量子线路类型的开源基准测试，涵盖组合型、动态型、时序型和变分型线路，以 OpenQASM 实现，并在 Qiskit 和 QCOR 上完成验证。它支持对可扩展线路规模（2 至 >50 量子比特）的量子软件进行验证、仿真、测试和调试，具备可扩展的生成脚本，并支持多种量子编程格式。

ABSTRACT

In this paper, we introduce VeriQBench -- an open source benchmark for quantum circuits. It offers high-level quantum circuit abstractions of various circuit types, including 1) combinational, 2) dynamic, 3) sequential, and 4) variational quantum circuits, which cover almost all existing types of quantum circuits in the literature. Meanwhile, VeriQBench is a versatile benchmark which can be used in verifying quantum software for different applications, as is evidenced by the existing works including quantum circuit verification (e.g., equivalence checking [Hon+21a; WLY21] and model checking [Yin21]), simulation (e.g., fault simulation), testing (e.g., test pattern generation [CY22]) and debugging (e.g., runtime assertions [Li+20b]). All the circuits are described in OpenQASM and are validated on Qiskit and QCOR simulators. With the hope that it can be used by other researchers, VeriQBench is released at: https://github.com/Veri-Q/Benchmark.

研究动机与目标

• 为解决当前研究中缺乏一个全面、可扩展且标准化的基准测试，覆盖所有主要类型的量子线路。
• 支持多种量子软件验证任务，包括等价性检查、模型检查、故障仿真、测试模式生成和运行时调试。
• 提供一个可扩展且可演进的量子线路基准测试框架，通过自动化生成脚本支持任意量子比特数量。
• 通过以 OpenQASM 表达所有线路并支持通过 q-convert 转换为 Q#、PyQuil 和 Cirq 等其他格式，确保广泛可用性。
• 在多个量子仿真平台（包括 Qiskit 和 QCOR）上验证基准测试的正确性与互操作性。

提出的方法

• 设计并收集四类主要类型的量子线路：组合型（如 QFT、Grover、Bernstein-Vazirani）、动态型（如量子隐形传态、半经典 QFT）、时序型和变分型线路。
• 将所有线路编码为 OpenQASM 2.0 格式以实现标准化和工具兼容性，并通过 q-convert 工具支持转换为其他量子语言。
• 为大多数线路类型实现自动化生成脚本，以支持任意量子比特数量的可扩展线路合成。
• 在两个主要量子软件栈（Qiskit 和 QCOR）上验证所有线路，确保其正确性与互操作性。
• 将线路划分为三类规模：小型（<20 量子比特）、中型（20–50 量子比特）和大型（>50 量子比特），以实现系统性评估。
• 整合现有研究中的线路，涵盖验证、优化和测试领域，以确保实际相关性与多样性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计一个统一的基准测试，以覆盖当前量子计算研究中使用的所有主要类型的量子线路？
• RQ2 基准测试在多大程度上能够支持多种验证与验证任务，如等价性检查、模型检查和测试模式生成？
• RQ3 能否通过自动化线路生成，使基准测试在量子硬件能力不断演进的背景下保持可扩展性和可扩展性？
• RQ4 该基准测试在确保不同量子软件栈（如 Qiskit 和 QCOR）之间正确性与可移植性方面有多高效？
• RQ5 包含从基础算法到变分线路等多样化线路类型，对基准测试在量子工具开发中的实用性有何影响？

主要发现

• VeriQBench 包含超过 100 条线路，涵盖四类主要类型：组合型、动态型、时序型和变分型量子线路，覆盖了文献中的所有标准类别。
• 所有线路均以 OpenQASM 2.0 实现，并在 Qiskit 和 QCOR 上完成验证，确认了其在不同平台上的正确性与互操作性。
• 该基准测试通过脚本支持可扩展的线路生成，能够合成多达 >50 量子比特的线路，支持小型、中型和大型配置。
• 该基准测试可直接用于多种验证工作流，包括等价性检查、模型检查、故障仿真和测试模式生成，已通过与现有工具的集成得到验证。
• 包含量子隐形传态和半经典 QFT 等动态线路，凸显了对经典控制的量子操作的支持，这是 NISQ 时代算法的关键特性。
• 该基准测试已公开发布于 https://github.com/Veri-Q/Benchmark，通过 q-convert 提供完整的工具链支持，实现格式互操作性，显著提升了其采用潜力。