Quake 方言
总体介绍
量子电路模型是应用最广泛的量子计算模型。它为表述量子算法提供了便利工具,也为量子计算机的物理构建提供了架构。
量子电路将计算表示为一个应用于量子数据的量子算子序列。在我们的场景中,量子数据是一组量子比特。物理上,一个量子比特是仅有两个可区分状态的对象,即它是一个二态量子力学系统,如自旋-1/2粒子。
概念上,量子算子是可能修改量子比特子集状态的效应。最常见的情况是,这种效应是幺正演化------此时,我们称该算子是幺正的。算子作用的目标量子比特数量是其固有属性。
量子指令是将量子算子应用于特定量子比特子集的具体体现。量子比特的数量必须等于(或大于)算子固有的目标量子比特数量。如果更大,额外的量子比特被视为控制比特。
动机
Quake 值模型背后的主要动机是,为了优化目的直接暴露量子与经典数据的依赖关系,即表示量子计算中的数据流。与 Quake 的内存模型(使用内存语义,量子算子作为对量子比特引用的副作用)不同,值模型使用值语义,即量子算子消费并产生值。然而,这些值并非真正的 SSA 值,因为操作仍然对值本身有副作用且值不能被复制。
我们来看一个例子以澄清两种模型之间的区别。以下是某个玩具量子计算的 Quake 实现:
mlir
func.func foo(%veq : !quake.veq<2>) {
// 从向量中提取每个量子比特的样板代码
%c0 = arith.constant 0 : index
%c1 = arith.constant 1 : index
%q0 = quake.extract_ref %veq[%c0] : (!quake.veq<2>, index) -> !quake.ref
%q1 = quake.extract_ref %veq[%c1] : (!quake.veq<2>, index) -> !quake.ref
// 我们向这些提取的量子比特应用一些算子
// ... 一系列使用 %q0 和 %q1 的算子 ...
quake.h %q0 : (!quake.ref) -> ()
// 我们决定测量该向量
%result = quake.mz %veq : (!quake.veq<2>) -> cc.stdvec<i1>
// 然后向 %q0 应用另一个 Hadamard
quake.h %q0 : (!quake.ref) -> ()
// ...
}
现在假设我们想通过移除相邻的伴随算子对来优化此代码,例如,如果在同一个量子比特上连续出现一对 Hadamard 操作------图示如下:
┌───┐ ┌───┐ ┌───┐
─┤ H ├─┤ H ├─ = ───┤ I ├─── = ─────────────
└───┘ └───┘ └───┘
其中 I 是恒等算子。注意,对 Quake 的这种优化的简单实现会优化掉应用于 %q0 的两个 quake.h 算子。这样的实现忽略了测量正被应用于包含 %q0 的向量 %veq 这一事实。
当然,为 Quake 正确实现这种优化是可能的。但这样的实现会很容易出错且需要复杂的分析。因此,Quake 具有重载的门。
在值模型中,算子消费值并返回新值:
mlir
%q0_1 = quake.op %q0_0 : (!quake.wire) -> !quake.wire
我们可以将内存表示与值表示之间的差异可视化为:
内存表示 值表示
┌──┐ ┌──┐ ┌──┐ ┌──┐ %q0_1 ┌──┐ ┌──┐
%q0 ─┤ ├─┤ ├─···─┤ ├─ %q0 对比 %q0_0 ─┤ ├───────┤ ├─···─┤ ├─ %q0_Z
└──┘ └──┘ └──┘ └──┘ └──┘ └──┘
如果我们再次查看实现,会注意到简单优化的问题在于 Hadamard 算子通过相同的值 %q0 隐式连接。在值形式中,所有门都通过不同的值显式连接,这消除了通过隐式副作用进行进一步分析的需要。以下是值形式的实现。
mlir
func.func @foo(%array : !quake.qvec<2>) {
// 提取每个量子比特的样板代码
%c0 = arith.constant 0 : index
%c1 = arith.constant 1 : index
%r0 = quake.extract_ref %array[%c0] : (!quake.qvec<2>, index) -> !quake.qref
%r1 = quake.extract_ref %array[%c1] : (!quake.qvec<2>, index) -> !quake.qref
// 解包量子引用以暴露连线
%q0 = quake.unwrap %r0 : (!quake.qref) -> !quake.wire
%q1 = quake.unwrap %r1 : (!quake.qref) -> !quake.wire
// 应用各种算子
%q0_M = quake.h %q0_L : (!quake.wire) -> !quake.wire
// 将连线重新包装到其原始源
quake.wrap %q0_M to %r0 : !quake.wire, !quake.qref
quake.wrap %q1_X to %r1 : !quake.wire, !quake.qref
// 测量整个量子引用向量
%result = quake.mz %array : (!quake.qvec<2>) -> !cc.stdvec<i1>
// 再次解包量子比特 0 的连线
%q0_P = quake.unwrap %r0 : (!quake.qref) -> !quake.wire
...
%q0_Z = quake.h %q0_Y : (!quake.wire) -> !quake.wire
// 将连线重新包装回原始引用
quake.wrap %q0_Z to %r0 : !quake.wire, !quake.qref
return
}
在这段代码中,我们可以更直接地看出这两个 Hadamard 算子不能相互抵消。一种推理方式如下:在值形式中,我们需要遵循值链来了解量子比特算子被应用于何处,在本例中:
内存表示 值表示
%q0 [%q0_0, %q0_1 ... %q0_L, %q0_M; %q0_P ... %q0_Y, %q0_Z]
我们知道一个 Hadamard 应用于 %q0_L 并生成 %q0_M,另一个应用于 %q0_Y 并生成 %q0_Z。因此,它们之间没有连接------这意味着它们不能相互抵消。