Fast-USYN:从酉矩阵到高质量量子电路的快速合成方法
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卢丽强,E-mail:liqianglu@zju.edu.cn;尹建伟,E-mail:zjuyjw@zju.edu.cn

中图分类号:

TP311

基金项目:

中央高校基本科研业务费专项资金资助(226-2024-00051,226-2024-00140);国家重点研发计划(023YFF0905200);浙江尖兵项目(2023C01036)


Fast-USYN: Fast Synthesis from Unitary Matrices to High-quality Quantum Circuits
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    摘要:

    当前的量子程序一般由量子电路表示,由多个量子门组成.如果程序包含了被直接表示为酉矩阵的门,需要将这些量子门转化为基本门所构成的量子电路.该步骤被称为量子电路合成.然而,当前的合成方法可能会生成包含数千个门的量子电路.这些量子电路的质量较低,在部署到真实含噪声的量子硬件时非常容易输出错误的结果.此外,在保证门数量较小的情况下,当量子比特数量增至8时,量子电路合成需要数周甚至数月的时间.在这项工作中,本研究提出了一种量子电路合成方法,实现了从酉矩阵到高质量量子电路的快速合成.本研究首先介绍了一种迭代方法,通过插入电路模块来逼近目标酉矩阵.在迭代中,文章提出一种具有奖励机制的前瞻策略减少冗余量子门.在量子电路合成的加速过程中,本研究为了减少候选电路模块的空间,提出了一种剪枝方法,其首先描述每个候选电路模块的闭包来刻画电路的表示空间,然后基于模块的表示空间重叠率进行剪枝,以此构建了一个小而高质量的候选集合.此外,为了减少搜索最优门参数的开销,本研究将选定的候选与目标酉矩阵打包成统一电路,然后通过计算其在基态上的期望来快速获得近似距离.实验证明,与当前的最优的量子电路合成方法QuCT[1]和QFAST[9]相比,本研究在5比特到8比特量子电路合成中实现了1.6-2.7倍的门数量减少和3.7-20.6倍的加速.

    Abstract:

    Current quantum programs are usually represented as quantum circuits,including various quantum gates.If the program contains gates that are represented as unitary matrices,these gates need to be transformed into quantum circuits composed of basic gates.However,current synthesis methods may generate inferior circuits with thousands of gates,which leads to failure when deploying to real-world quantum hardware.Moreover,the process to minimize the number of gate takes weeks or even months when the number of qubits goes to 8.In this work,we propose Fast-USYN that enables fast synthesis from unitary to high-quality quantum circuits.We first introduce an iterative approach that approximates the target unitary by inserting circuit blocks.The minimization of gates is achieved by a look-ahead strategy with a rewarding mechanism to reduce redundant gates.In the acceleration of unitary synthesis,instead of exhaustively enumerating tremendous candidates,we construct the search space by depicting the closure of each candidate.Furthermore,to reduce the overhead of searching the optimal gate parameters,we pack the selected candidates with the target unitary into a uniform circuit so that we can quickly obtain the approximation distance by calculating its expectation on the ground state.Experiments show that Fast-USYN achieves 1.6-2.7 times gate reduction and 3.7-20.6 times speedup for 5-qubit to 8-qubit synthesis,compared to QuCT[1] and QFAST[9].

    参考文献
    相似文献
    引证文献
引用本文

谭思危,卢丽强,郎聪亮,陈明帅,尹建伟. Fast-USYN:从酉矩阵到高质量量子电路的快速合成方法.软件学报,2025,36(8):0

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  • 收稿日期:2024-08-21
  • 最后修改日期:2024-10-14
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  • 在线发布日期: 2024-12-10
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