基于领域专用语言的量子编译优化方法研究

作     者：徐乐 

作者单位：郑州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘晓楠

授予年度：2021年

学科分类：07[理学] 08[工学] 070201[理学-理论物理] 0835[工学-软件工程] 081202[工学-计算机软件与理论] 0702[理学-物理学] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 

主      题：量子计算 领域专用语言 量子编译 控制脉冲 

摘      要：近年来,随着信息产业的飞速发展和互联网技术的不断普及和深入,人们正逐渐步入大数据时代,这将加剧全球对计算能力的依赖。一方面,经典计算和量子计算之间的交互作为量子领域研究的热点问题,使用领域专用语言对异构量子——经典计算算法进行描述,能够加速量子领域专家和软件开发人员对量子计算的研究进程。另一方面,直接将量子基本逻辑指令转换为控制脉冲,会导致低效率以及高延迟的程序。本文对量子编译方法进行优化,能够减少脉冲持续时间,产生高度优化的控制脉冲。主要工作如下:1、针对经典计算和量子计算之间交互困难的问题,设计一种量子领域专用语言QCDSL(Quantum Compile Domain Specific Language)。QCDSL用于描述异构量子——经典计算算法和量子编译优化过程中的算法。本文对QCDSL的设计原则、模块系统、类型系统和配置文件等进行分析与实现,并对所提出的QCDSL量子编程框架关键技术进行具体研究,包括量子程序周期、运行系统、主程序以及量子编译。同时在QCDSL中,引入了支持与量子算法进行交互的机制,该机制使用内部定义操作和生成量子汇编指令集。实验结果表明,QCDSL的量子编程框架实现了经典计算和量子计算之间的快速交互,为量子和经典计算的共同优化奠定基础。2、针对传统量子编译会导致低效率以及高延迟程序的问题,本文提出一种多指令聚合量子编译优化方法。首先对QAOA电路的最大切割(Max Cut)问题进行分析。之后在量子编译前端使用QCDSL实现可交换性逻辑调度算法,并对量子电路进行交换性检测。随后对量子编译后端的指令聚合方法进行实验研究。最后选择几种重要的经典量子混合算法作为基准,将本文所提出的优化方法与未优化的编译方法进行比较。实验结果表明,交换性检测与指令聚合能够降低电路的归一化延迟,延迟效果与电路的可交换性成正比,并且聚合指令编译对于空间局部性低的电路有较大的改进。对于QAOA的最大切割问题,多指令聚合的量子编译方法能够产生高度优化的控制脉冲,减少约2.21倍的脉冲持续时间。