量子硬件编译的进展——魔法态蒸馏与重复直至成功协议的演示
量子物理
2023-10-19 v1
摘要
容错协议使得大型且精确的量子算法成为可能。许多此类协议依赖于数据的前馈处理，由量子与经典逻辑混合实现。表示此类程序的控制结构可能是一项挑战。在此我们探讨两种这样的容错子程序，并使用量子中间表示（Quantum Intermediate Representation, QIR）作为底层中间表示来分析其子程序性能。首先，我们考察 QIR 利用 LLVM 编译器工具链展开在 量子纠错码上执行魔法态蒸馏所需的量子迭代逻辑的能力，该码最初由 Bravyi 和 Kitaev 提出 [Phys. Rev. A 71, 022316 (2005)]。这使我们不仅能在量子硬件上实现首个实时魔法态蒸馏协议，还展示了 QIR 在不降低机器性能的情况下优化复杂程序结构的能力。接下来，我们研究了一种不同的容错协议，该协议最初由 Paetznick 和 Svore 提出 [arXiv:1311.1074 (2013)]，可减少特定算法所需的非-Clifford 门数量。我们考察了这一两阶段重复直至成功算法的四种不同实现，以分析因编程选择导致的性能变化。我们发现 QIR 为编译后的高级程序提供了一种可行的表示，其性能几乎与直接用量子汇编编写的手工优化版本相当。这两项结果均证明了 QIR 能够准确且高效地扩展当今量子硬件上可实现的容错协议的复杂性。
引用
@article{arxiv.2310.12106,
title = {Advances in compilation for quantum hardware -- A demonstration of magic state distillation and repeat-until-success protocols},
author = {Natalie C. Brown and John Peter Campora and Cassandra Granade and Bettina Heim and Stefan Wernli and Ciaran Ryan-Anderson and Dominic Lucchetti and Adam Paetznick and Martin Roetteler and Krysta Svore and Alex Chernoguzov},
journal= {arXiv preprint arXiv:2310.12106},
year = {2023}
}