CUDA-Q Quake 规范详解：量子中间表示的技术深度解析

Eloudy2025-10-10 13:15

1. Quake 概述与设计哲学

核心定位

Quake 是 CUDA-Q 平台中的量子抽象内核表示层，作为量子计算编译栈的核心中间表示，连接高级量子编程模型与底层硬件执行。

设计目标

硬件无关性：同一量子程序可 targeting 不同量子处理器

优化友好性：为编译器优化提供丰富的语义信息

可扩展性：支持新兴量子硬件特性和指令集

性能可移植性：自动适配不同量子后端的最优执行

2. Quake IR 类型系统规范

2.1. 量子类型层次结构

mlir

cpp 复制代码 
// Quake 核心类型系统
!quake.qref          // 单个量子比特引用
!quake.qvector<N>    // 固定大小量子寄存器
!quake.qspan         // 量子比特切片视图
!quake.qarray<?>     // 动态量子比特数组
!quake.measurement   // 测量结果类型

2.2. 类型语义详解

量子比特引用 (!quake.qref)

mlir

cpp 复制代码 
// 量子比特引用操作
%q = quake.alloca : !quake.qref          // 分配单个量子比特
quake.h %q : (!quake.qref) -> ()         // 应用Hadamard门
quake.x %q : (!quake.qref) -> ()         // 应用Pauli-X门
%result = quake.mz %q : !quake.qref -> i1 // 测量并返回经典位
量子寄存器 (!quake.qvector<N>)

mlir

cpp 复制代码 
// 固定大小量子寄存器
%qreg = quake.alloca %c5 : !quake.qvector<5>
%q0 = quake.extract_ref %qreg[0] : !quake.qvector<5> -> !quake.qref
%qslice = quake.subvec %qreg[1, 3] : !quake.qvector<5> -> !quake.qspan
量子切片 (!quake.qspan)

mlir

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// 量子比特切片 - 不拥有量子比特，仅提供视图
%span = quake.subvec %qreg[%start, %length] : !quake.qvector<8> -> !quake.qspan
quake.x [%span] : (!quake.qspan) -> ()  // 对切片应用门操作

2.3. 经典类型集成

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cpp 复制代码 
// Quake 与经典类型的无缝集成
i1, i32, i64        // 整数类型
f32, f64            // 浮点类型
complex<f32>        // 复数类型
!llvm.ptr<i8>       // 指针类型
vector<4xf32>       // 向量类型

3. Quake 操作语义规范

3.1. 量子门操作

单量子比特门

mlir

cpp 复制代码 
// 基础单量子比特门
quake.h %qubit : (!quake.qref) -> ()                    // Hadamard
quake.x %qubit : (!quake.qref) -> ()                    // Pauli-X
quake.y %qubit : (!quake.qref) -> ()                    // Pauli-Y  
quake.z %qubit : (!quake.qref) -> ()                    // Pauli-Z
quake.s %qubit : (!quake.qref) -> ()                    // Phase (S)
quake.t %qubit : (!quake.qref) -> ()                    // T gate

// 参数化单量子比特门
quake.rx(%theta) %qubit : (f64, !quake.qref) -> ()     // X旋转
quake.ry(%theta) %qubit : (f64, !quake.qref) -> ()     // Y旋转
quake.rz(%theta) %qubit : (f64, !quake.qref) -> ()     // Z旋转
quake.r1(%theta) %qubit : (f64, !quake.qref) -> ()     // Phase旋转
多量子比特门

mlir

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// 双量子比特门
quake.cx %control, %target : (!quake.qref, !quake.qref) -> ()       // CNOT
quake.cy %control, %target : (!quake.qref, !quake.qref) -> ()       // Controlled-Y
quake.cz %control, %target : (!quake.qref, !quake.qref) -> ()       // Controlled-Z
quake.swap %q1, %q2 : (!quake.qref, !quake.qref) -> ()              // SWAP

// 参数化双量子比特门  
quake.cr1(%theta) %control, %target : (f64, !quake.qref, !quake.qref) -> ()
quake.crx(%theta) %control, %target : (f64, !quake.qref, !quake.qref) -> ()

// 多控制门
quake.mcx [%ctrl1, %ctrl2] %target : (!quake.qref, !quake.qref, !quake.qref) -> ()

3.2. 测量操作

mlir

cpp 复制代码 
// 基础测量
%result = quake.mz %qubit : !quake.qref -> i1          // Z基测量
%result_x = quake.mx %qubit : !quake.qref -> i1        // X基测量
%result_y = quake.my %qubit : !quake.qref -> i1        // Y基测量

// 批量测量
%results = quake.mz %qreg : !quake.qvector<4> -> vector<4xi1>
%result_span = quake.mz %span : !quake.qspan -> vector<?xi1>

3.3. 量子内存管理

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cpp 复制代码 
// 量子内存分配
%qbit = quake.alloca : !quake.qref                    // 分配单个量子比特
%qreg = quake.alloca %c8 : !quake.qvector<8>          // 分配量子寄存器
%qdynamic = quake.alloca %size : !quake.qarray<?>     // 动态大小分配

// 量子内存释放 (通常隐式处理)
quake.dealloc %qbit : !quake.qref
quake.dealloc %qreg : !quake.qvector<8>

4. Quake 控制流规范

4.1. 经典控制流

mlir

cpp 复制代码 
// 条件量子操作
func.func @conditional_circuit(%flag: i1) {
  %q = quake.alloca : !quake.qref
  quake.h %q : (!quake.qref) -> ()
  
  // 基于经典条件的量子操作
  scf.if %flag {
    quake.x %q : (!quake.qref) -> ()
  } else {
    quake.y %q : (!quake.qref) -> ()
  }
  
  %result = quake.mz %q : !quake.qref -> i1
  return
}

4.2. 循环结构

mlir

cpp 复制代码 
// 量子经典混合循环
func.func @iterative_phase_estimation(%iterations: i64) {
  %q = quake.alloca : !quake.qref
  %c0 = arith.constant 0 : i64
  
  // 循环应用量子门
  scf.for %i = %c0 to %iterations step %c1 {
    %theta = arith.sitofp %i : i64 to f64
    quake.rz(%theta) %q : (f64, !quake.qref) -> ()
    quake.h %q : (!quake.qref) -> ()
  }
  
  %result = quake.mz %q : !quake.qref -> i1
  return
}

5. Quake 转换与优化规范

5.1. 编译器转换通道

量子特定优化

mlir

cpp 复制代码 
// 门融合优化示例
// 优化前：
quake.h %q
quake.h %q

// 优化后：恒等操作消除
// (H·H = I)

// 旋转门合并
// 优化前：
quake.rz(%theta1) %q
quake.rz(%theta2) %q

// 优化后：
%total_theta = arith.addf %theta1, %theta2 : f64
quake.rz(%total_theta) %q
电路简化规则

mlir

cpp 复制代码 
// 消泡规则
quake.x %q
quake.x %q
// → 恒等操作

// 相位门简化  
quake.z %q
quake.z %q
// → 恒等操作

// 控制门消泡
quake.cx %ctrl, %target
quake.cx %ctrl, %target  
// → 恒等操作

5.2. 目标相关 lowering

mlir

cpp 复制代码 
// 抽象门操作 → 硬件原生门集
// 输入：
quake.crx(%theta) %ctrl, %target

// 输出（针对不支持CRX的硬件）：
%q0 = quake.alloca : !quake.qref
quake.h %target
quake.cx %ctrl, %target
quake.rz(%theta) %target  
quake.cx %ctrl, %target
quake.h %target

6. Quake 运行时集成规范

6.1. 内核执行模型

mlir

cpp 复制代码 
// Quake 内核表示
quake.kernel @vqe_circuit(%parameters: vector<4xf64>) -> f64 {
  %qubits = quake.alloca %c4 : !quake.qvector<4>
  
  // 参数化量子电路
  %c0 = arith.constant 0 : i64
  %c4 = arith.constant 4 : i64
  %c1 = arith.constant 1 : i64
  
  scf.for %i = %c0 to %c4 step %c1 {
    %param = vector.extract %parameters[%i] : vector<4xf64>
    %qubit = quake.extract_ref %qubits[%i] : !quake.qvector<4> -> !quake.qref
    quake.ry(%param) %qubit : (f64, !quake.qref) -> ()
  }
  
  // 纠缠层
  quake.cx %qubits[0], %qubits[1]
  quake.cx %qubits[1], %qubits[2] 
  quake.cx %qubits[2], %qubits[3]
  
  %energy = quake.compute_observable(...) : () -> f64
  return %energy : f64
}

6.2. 混合经典-量子工作流

mlir

cpp 复制代码 
// 经典优化循环中的量子评估
func.func @quantum_optimization_loop() -> f64 {
  %initial_params = ... : vector<4xf64>
  %best_energy = arith.constant 0.0 : f64
  
  scf.while (...) : () -> f64 {
    // 量子评估
    %energy = quake.kernel_call @vqe_circuit(%current_params) : (vector<4xf64>) -> f64
    
    // 经典优化步骤
    %new_params = classic.optimize_step(%current_params, %energy)
    
    // 收敛检查
    %converged = arith.cmpf "olt", %energy_diff, %tolerance : f64
    
    scf.condition(%converged) %energy : f64
  } do {
    ^bb0(%energy: f64):
    // 迭代更新逻辑
    scf.yield
  }
  
  return %best_energy : f64
}

7. Quake 扩展机制

7.1. 自定义量子操作

mlir

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// 用户定义量子门
quake.custom_gate "my_special_gate"(%param1, %param2) [%qubits] : 
  (f64, f64, !quake.qspan) -> ()

// 硬件特定指令
quake.hw_specific "sycamore_gate"(%duration) [%q0, %q1] : 
  (f64, !quake.qref, !quake.qref) -> ()

7.2. 噪声模型集成

mlir

cpp 复制代码 
// 噪声操作注入
quake.depolarizing_channel(%probability) %qubit : (f64, !quake.qref) -> ()
quake.amplitude_damping(%gamma) %qubit : (f64, !quake.qref) -> ()
quake.phase_damping(%lambda) %qubit : (f64, !quake.qref) -> ()

// 噪声感知电路
quake.with_noise %noise_model {
  quake.h %q
  quake.cx %q0, %q1
  %result = quake.mz %q
}

8. Quake 验证与调试规范

8.1. 静态验证规则

mlir

cpp 复制代码 
// 量子比特生命周期验证
// 有效：
%q = quake.alloca : !quake.qref
quake.h %q
quake.mz %q
quake.dealloc %q

// 无效（使用后释放）：
%q = quake.alloca : !quake.qref  
quake.dealloc %q
quake.h %q  // 错误：量子比特已释放

// 测量后验证
%q = quake.alloca : !quake.qref
%result = quake.mz %q
quake.h %q  // 警告：测量后操作可能无意义

8.2. 调试信息

mlir

cpp 复制代码 
// 源位置跟踪
quake.h %q loc("source_file.cu":12:8)
quake.cx %ctrl, %target loc("source_file.cu":13:12)

// 电路注解
quake.annotate "layer1_entanglement" {
  quake.cx %q0, %q1
  quake.cx %q2, %q3
}

9. 目标后端适配规范

9.1. 多后端支持

mlir

cpp 复制代码 
// NVIDIA 量子平台
quake.target "nvidia" {
  quake.kernel @my_circuit {
    // NVIDIA 优化门集
  }
}

// IonQ 后端
quake.target "ionq" {
  quake.kernel @my_circuit {
    // IonQ 原生门转换
  }
}

// Quantinuum 后端  
quake.target "quantinuum" {
  quake.kernel @my_circuit {
    // Quantinuum 特定优化
  }
}

9.2. 脉冲级控制

mlir

cpp 复制代码 
// 量子脉冲表示
%pulse = quake.pulse.gaussian(%duration, %sigma) : (f64, f64) -> !quake.pulse
quake.play %pulse, %qubit : (!quake.pulse, !quake.qref) -> ()

// 脉冲序列
quake.pulse_sequence {
  quake.play %pulse1, %q0
  quake.delay %wait_time
  quake.play %pulse2, %q1
}

10. 总结

CUDA-Q Quake 规范定义了一个完整、可扩展的量子计算中间表示，具备以下核心特性：

  1. 类型安全：严格的量子类型系统，防止非法操作

  2. 硬件抽象：统一的量子操作表示，支持多后端

  3. 优化友好：丰富的语义信息，支持高级编译器优化

  4. 可扩展性：支持自定义操作和硬件特定扩展

  5. 混合计算：无缝集成经典和量子计算

通过 Quake IR，CUDA-Q 实现了量子程序的高性能、可移植编译，为量子-经典混合计算提供了强大的基础架构。

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