通过全局二进制辛形式简化实现哈密顿模拟的高效编译

哈密顿模拟是一项核心量子工作负载，支撑着变分量子算法与 Trotter 化时间演化。此类程序表示为 Pauli 指数序列，展现出高度适合高层综合与优化的结构模式。然而，现有编译器未能充分释放其全局代数结构的优化潜力，即使采用先进的基于图或表的方法也是如此。我们提出了 Symphony，一种建立在 Pauli 串的二进制辛形式（BSF）表示之上的整体编译方法。与先前基于分组的 BSF 简化与基于路径的 Pauli 网络综合不同，Symphony 将广义受控 Pauli Clifford 变换直接应用于全局 BSF 表，自适应地减少活跃 Pauli 行，并在前向 Clifford 框架中发出除单比特旋转外的合格双比特块。在代数简化之后，Symphony 执行一种保因果性的块重调度启发式，该启发式在暴露广泛的双比特块并行机会的同时尊重框架诱导的依赖关系。这种简化的编译风格全面利用了同时简化与交换机会，无需依赖计算昂贵的启发式或长视野搜索即可实现高效的全局优化。在 HamLib 的通用哈密顿模拟基准上，Symphony 在双比特门数与电路深度上分别实现了 59% 与 91% 的平均缩减。它严格 Pareto 支配了先前最先进的编译器，所需双比特门数减少 1.14--1.58$\times$，尤其将双比特电路深度平均大幅缩减 1.87--5.67$\times$。