[论文解读] XACC: A System-Level Software Infrastructure for Heterogeneous Quantum-Classical Computing

Alexander McCaskey, Dmitry I. Lyakh+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 2019

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一句话总结

XACC 是一个系统级、硬件无关的软件框架，支持异构量子-经典计算中的底层协处理器编程。它采用面向服务的架构，提供可扩展的接口用于量子编程、编译和执行，支持来自 IBM、Rigetti、D-Wave 和 IonQ 的门模型和量子退火量子处理器，并通过多态中间表示和跨编译能力实现优化工作流。

ABSTRACT

Quantum programming techniques and software have advanced significantly over the past five years, with a majority focusing on high-level language frameworks targeting remote REST library APIs. As quantum computing architectures advance and become more widely available, lower-level, system software infrastructures will be needed to enable tighter, co-processor programming and access models. Here we present XACC, a system-level software infrastructure for quantum-classical computing that promotes a service-oriented architecture to expose interfaces for core quantum programming, compilation, and execution tasks. We detail XACC's interfaces, their interactions, and its implementation as a hardware-agnostic framework for both near-term and future quantum-classical architectures. We provide concrete examples demonstrating the utility of this framework with paradigmatic tasks. Our approach lays the foundation for the development of compilers, associated runtimes, and low-level system tools tightly integrating quantum and classical workflows.

研究动机与目标

• 为下一代异构计算架构中经典处理器与量子处理器之间的紧密集成，应对日益增长的低层系统软件需求。
• 用支持高效执行调度、内存管理及对量子-经典工作负载进行底层控制的系统软件栈，取代高层级、远程访问的编程模型。
• 提供模块化、可扩展的基础设施，支持用于量子加速科学计算的编译器、调试器、性能分析器和基准测试工具。
• 实现跨多种量子后端（包括门模型和绝热量子计算机）的跨编译和硬件抽象。
• 为支持科学计算中复杂混合量子-经典工作流的统一软件栈奠定基础。

提出的方法

• XACC 通过为量子加速器实现可插拔后端的面向服务架构，抽象硬件特定细节，使用通用接口实现。
• 它使用多态中间表示（IR）来表示量子程序，支持在多种量子架构之间进行底层优化和分析。
• 该框架通过统一接口支持门模型和量子退火工作流，自动转换不同后端指令集之间的量子指令。
• XACC 通过允许经典代码将量子内核卸载到加速器，并通过共享缓冲区抽象机制检索结果，实现协处理器编程。
• 它提供内置的算法抽象，如 DDCL（数据驱动电路学习）算法，用于训练参数化量子电路以匹配目标概率分布。
• 该系统通过绑定支持与 Python 等高层语言的集成，同时通过底层 C++ 实现保持高性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计一个系统级软件基础设施，以实现在异构计算环境中经典处理器与量子处理器之间的紧密集成？
• RQ2 哪些架构模式能够在支持硬件无关量子编程的同时，实现底层优化和高效编译？
• RQ3 如何通过统一的中间表示实现在多种量子后端（包括门模型和退火架构）之间的跨编译和优化？
• RQ4 需要哪些机制来支持端到端的量子-经典工作流，包括性能分析、调试和基准测试？
• RQ5 如何通过模块化、可扩展的框架在经典控制流中编排量子算法？

主要发现

• XACC 通过硬件无关接口成功抽象了多种量子后端（包括 IBM、Rigetti、D-Wave 和 IonQ），实现了跨平台的可移植量子代码。
• 该框架支持在不同指令集之间进行跨编译，例如通过中间表示转换，将 IBM 的 U/CNOT 门转换为 Rigetti 的 RZ/CZ 等效门。
• XACC 中的 DDCL 算法支持自动训练参数化量子电路以匹配目标概率分布，具备基于梯度的优化和损失函数评估功能。
• XACC 的面向服务架构允许模块化扩展编译器、调试器和性能分析工具，从而构建完整的量子软件开发栈。
• 该框架展示了双源协处理器模型的可行原型，其中经典代码可将量子内核卸载并借助共享缓冲区抽象机制检索结果。
• XACC 为未来系统软件（包括单源编译器和性能分析工具）奠定了基础，这些是实现可扩展量子加速科学计算所必需的。