量子汇编语言和量子中间表示发展白皮书.pdf
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1、量子汇编语言和量子中间表示发展白皮书 1 一、量子计算与量子编程概述(一一)量子计算量子计算 随着社会生产力的发展,人们对高性能计算提出了更高的要求。面对摩尔定律的逐渐失效,科学家和工程师正全力研究发展新的计算技术,推动算力发展。量子计算以量子比特为基本计算单元,利用量子叠加等原理实现并行计算,能在某些计算困难问题上提供指数级加速,是未来计算能力实现跨越式发展的重要方向。当前,量子计算正处于发展初期阶段,超导、离子阱、中性原子、光量子、半导体等多种硬件处理器平台并行发展,开放竞争,技术路线尚未收敛。随着量子计算硬件平台逐渐进入具有百位量子比特的中规模含噪声量子(Noisy Intermedia
2、te-Scale Quantum,NISQ)处理器时代,基于NISQ样机开展应用研究探索已成为产业界和行业用户的共同目标。近年来,量子计算应用聚焦组合优化、量子模拟、量子人工智能等多类问题展开探索。量子组合优化通过利用量子算法在大量可能方案中更高效准确的找到最佳方案,具体可用于金融投资组合、金融衍生品定价、物流优化、旅行商问题等问题。量子模拟运用人工可控的量子系统模拟另外一个量子系统的性质和演化规律,应用范围涵盖基础物理研究、生命科学、制药、化工等多个领域。量子人工智能将量子计算与人工智能相结合,在处理大数据模型时具备潜在的加速优势,有望在机器学习、自然语言处理、大数据分析等问题中实现应用价值
3、。量子应用在量子计算机上的执行需要借助特定的量子算法来实现。当前,实现量子算法的一种主要的方式是数字量子计算量子汇编语言和量子中间表示发展白皮书 2(Digital Quantum Computing),它与基于数字逻辑门的经典计算机类似,根据具体的量子芯片处理器底层架构,构建了一套通用量子逻辑门操作(简称为“量子门”)。可以证明,特定的量子门集合能够满足图灵完备性,可以完成通用的量子计算任务。量子计算机在执行量子算法之后,返回的是量子态。为了获得具体的量子态信息,我们还需要执行量子测量操作。根据量子力学基本原理,测量后的量子态会发生塌缩,单次测量会得到确定的状态输出。通过重复制备相同的量子态
4、,进行多次测量,可以统计出不同状态的概率,获得更具体的量子态信息。量子计算机的输出结果通常是不同量子态的概率。常见的量子门和量子测量门图标如图 1 所示1。基于量子门和量子测量门的集合,按照特定的顺序进行编排,可以构建出量子线路,实现一些常见的通用量子算法,如 Deutsch算法、Shor算法和Grover算法等。在NISQ阶段,量子计算机端到端解决问题的能力还较弱。在量子测量得到结果之后,利用经典计算机根据测量结果更新量子计算机所需要运行的量子线路,然后再继续利用量子计算机得到量子测量结果。这种利用经典计算机来辅助量子计算机,进行迭代计算的 1 来源:量子信息网络产业联盟 图 8 常见的量子
5、逻辑门和量子测量操作1 量子汇编语言和量子中间表示发展白皮书 3 模式叫做经典-量子混合计算,这类算法通常被称为变分量子算法,可以应用到量子化学模拟、量子组合优化和量子机器学习等领域。量子计算机是实现量子计算应用的基石,其构建涉及量子硬件平台、量子软件、量子算法等多项必备要素,其中量子软件包括应用开发软件和量子计算编译软件两大类。量子计算编译软件作为底层软件,需要满足量子计算的底层理论与算法逻辑,涵盖量子汇编语言、量子中间表示等,特异性与专业性较强,目前处于设计开发与生态构建的早期阶段,是国内外研究布局的重点。本文重点聚焦量子汇编语言和量子中间表示,调研当前量子编程的发展现状,并探讨未来的发展
6、方向。(二二)量子编程量子编程 量子计算机是一个综合软件和硬件的复杂系统,从量子应用到量子硬件的过程,简单来说可以用下面的量子计算全栈系统图来描述,如图 2 所示2。从图中可以看到,量子编程是处于量子算法和量子硬件的中间层,是将量子计算的应用成功在量子计算机上执行的承上启下的一个重要部分。量子编程需要借助一些工具来实现,这个工具就是量子编程语言。参照量子编程语言在整个量子计算机全栈系统图中所处的层次,可以将量子编程语言分为如下几类:高级量子程序设计语言(High-level Quantum Programming Language)、量子中间表示(Quantum Intermediate Re
7、presentation,QIR)和 量 子 汇 编 语 言(Quantum 2 来源:量子信息网络产业联盟 量子汇编语言和量子中间表示发展白皮书 4 Assembly Language,QASM)。类比于经典编程语言,高级量子程序设计语言是一种面向用户的程序语言,开发者通过调用预制的量子算法库和自定义算法,从而可以方便的实现自己的量子应用。量子汇编语言则是更加贴近于量子硬件的编程语言,可以通过量子操作系统直接调用底层量子指令。在当前阶段,量子编程语言和量子硬件仍然处在发展阶段,人们可以直接通过高级量子程序设计语言来生成量子汇编语言,将量子汇编语言作为构建编译器的中间表示。对于小规模的量子任务
8、,人们也可以直接根据量子算法需求直接用量子汇编语言来编写程序,并且在量子硬件上执行。图 9 量子计算系统全栈示意图2 量子汇编语言和量子中间表示发展白皮书 5 量子中间表示也是将高级量子程序设计语言编译成量子汇编语言的工具,它是一种特殊的数据结构,能够方便的使用一些经典的编译工具和自定义编译优化方法,将量子程序编译的更为高效。在编写量子线路已经固定的、整个执行逻辑比较简单的量子算法时,可能很难会需要用到特殊的量子中间表示来进行编译。但是在涉及到复杂的量子算法,比如经典-量子混合算法时,使用量子中间表示构建的编译器就可以更容易实现一些加速优化方法。比如在进行经典-量子混合算法时,可能会遇到迭代的
9、过程中,所有的量子门操作参数均为 0 的情况。这种情况下,所有的量子门操作等价于恒等操作(identity),量子线路的运行结果就是其初始的量子态。通常如果是直接使用量子汇编语言来编写的量子算法,那么这种操作也会在量子计算机上运行。如果是用高级量子程序设计语言来编写,并且使用量子中间表示来进行编译、转换和优化,那么在编译优化的过程中可以方便的定义一些优化转换的方法,使得这种不会产生任何实际效果的迭代结果可以直接得到,不需要使用量子计算机。并且与直接使用量子汇编语言作为中间表示进行的编译相比,量子中间表示可以让整个编译过程更加高效,功能更加丰富。基于量子中间表示的量子编译器是运行复杂量子算法的必
10、由之路。自从量子计算机理念被提出来后,人们就开始了量子编程语言的设计。下表统计了部分量子编程语言,并区分了其在整个量子计算机系统中的层级。在后面的章节中,我们先简要介绍高级量子程序设计语言,然后再详细介绍本白皮书重点关注的,与量子硬件关系更为密切的量子汇编语言和量子中间表示。量子汇编语言和量子中间表示发展白皮书 6 表 1 量子编程语言概览3 时间时间 量子编程语言量子编程语言 抽象层级抽象层级 研发单位研发单位 1998 QCL 低 维也纳研究所(奥地利)2003 Q language 高 图卢兹实验室(法国)2014 ScaffCC 低 普林斯顿大学(美国)2016 QASM 低 洛斯阿拉
11、莫斯国家实验室(美国)2016 ProjectQ 高 苏黎世联邦理工学院(瑞士)2016 Quil 高 Rigetti Computing(美国)2017 OpenQASM(2.0)低 IBM(美国)2017 eQASM 低 代尔夫特理工大学(荷兰)2017 Qiskit 高 IBM(美国)2017 QPanda 高 本源量子(中国)2018 cQASM 低 代尔夫特理工大学(荷兰)2018 Cirq 高 Google(美国)2018 XACC 低 橡树岭国家实验室(美国)2018 QPanda 高 本源量子(中国)2019 QRunes 低 本源量子(中国)2020 QIR 低 QIR 联盟
12、(美国)2020 Quingo 高 国防科技大学、华东师范大学(中国)2021 NetQASM 低 代尔夫特理工大学(荷兰)2021 QCIS 低 中国科学技术大学(中国)2021 MindQuantum 高 MindSpore 开源组织(中国)2021 OpenQASM 3.0 低 IBM(美国)2022 isQ 低 弧光量子(中国)3 来源:量子信息网络产业联盟 量子汇编语言和量子中间表示发展白皮书 7 二、高级量子程序设计语言概述及分类(一一)概述概述 高级量子程序设计语言是专为设计和实现量子算法而创建的工具。随着量子计算技术的发展,越来越多的高级量子程序设计语言正在被开发出来,以帮助研
13、究人员和开发者更好地利用量子计算机的潜力。在这些高级量子程序设计语言中,我们可以根据它们是否依赖于现有的经典编程语言来分为两类:嵌入式量子程序设计语言和独立式量子程序设计语言。嵌 入 式 量 子 程 序 设 计 语 言 是 一 种 嵌 入 式 领 域 特 定 语 言(embedded Domain-Specific Language,eDSL),它是基于现有经典编程语言(如 C+或 Python)构建的。这些语言通常作为库或框架集成到宿主语言中,允许开发者使用熟悉的语法和工具来编写量子程序。嵌入式量子程序设计语言可以轻松地与经典代码交互,并利用经典编程生态系统的强大功能,例如编译器、调试器和开
14、发环境等。此外,嵌入式量子程序设计语言还可以简化经典-量子混合计算的编程任务 独立式量子程序设计语言则是从零开始设计的高级量子程序设计语言,不依赖于任何现有的其他编程语言,其定位类似于经典编程语言中的 C+或 Python 等通用的编程语言。独立式量子程序设计语言的目标是提供一个更直观且与硬件无关的抽象层,以便专注于量子算法的设计和优化。由于它们独立于任何特定的经典编程语言,因此独立式量子程序设计语言可能需要开发者学习新的语法和编程量子汇编语言和量子中间表示发展白皮书 8 范式。然而,这种全新的设计也为开发者提供了更多自由度,能够更好地表达量子计算特有的概念,比如叠加态、纠缠和测量等。无论是嵌
15、入式还是独立式量子程序设计语言,它们都旨在降低量子计算的入门门槛,使更多的研究人员和开发者能够参与到这个快速发展的领域中来。下面我们将针对部分嵌入式和独立式量子程序设计语言进行更为深入的介绍。(二二)嵌入式量子程序设计语言嵌入式量子程序设计语言 典型的嵌入式量子程序设计语言包括 Qiskit、ProjectQ、MindSpore Quantum、QPanda等。下面将列举几类来介绍。1.Qiskit Qiskit4是由 IBM 公司开发的、基于 Python 的量子计算编程语言,主要用于在量子线路、操控脉冲、量子算法级别运作的量子计算机上。Qiskit 提供了丰富的工具用于创建和操控量子程序,
16、并支持把该程序下发到量子原型机上运行。它遵循通用量子计算的电路模式,可以运行在任何遵循该模式的量子计算设备上。2.ProjectQ ProjectQ5是由苏黎世联邦理工学院发起的一款用于量子计算的开源软件架构。它提供了丰富的软件工具,旨在帮助研究人员去发现新的量子算法,并通过测试、调试和运行来改进量子算法。值得一提的是,ProjectQ虽然也是基于 Python的 eDSL语言,但是其内置 4 https:/qiskit.org/5 https:/doi.org/10.22331/q-2018-01-31-49 量子汇编语言和量子中间表示发展白皮书 9 了一些较为高级但对于量子计算来说又十分直
17、观的语法风格,这使得 ProjectQ的特定域编程的特点更加突出。3.MindSpore Quantum MindSpore Quantum6(简 称“MindQuantum”)是 基 于 昇 思MindSpore开源深度学习框架和HiQ量子计算云平台开发的通用量子计算框架,支持多种量子神经网络的训练和推理。融合了 HiQ 团队的高性能量子计算模拟器和昇思 MindSpore 高性能自动微分能力,MindQuantum 能够高效处理量子机器学习、量子化学模拟和量子优化等问题,为广大的科研人员、老师和学生提供快速设计和验证量子机器学习算法的高效平台。4.QPanda QPanda7是由本源量子发
18、布的开源量子计算编程框架,以 C+为宿主语言,提供基于 C+的库 QPanda2 和基于 Python 的库 pyqpanda两种编程调用方式,经过几年的更新和迭代,形成了比较完备的架构。在设计之初,QPanda 便以服务研究人员为出发点,以开放性、极简性、异构性为设计原则,实现高性能仿真、多元化仿真为目标,并在此之上提供诸多实用便捷的工具。在上层应用方面,QPanda 提供了许多基本算法,有效的简化了研究人员的开发时间,在底层运算上,提供了多种模拟后端,包括全振幅、部分振幅、单振幅、张量网络、密度矩阵和稀疏态模拟等多种模拟后端,与此同时,QPanda支持调用集群、超算和真实量子芯片的计算资源
19、。QPanda将 6 https:/ 7 https:/ 量子汇编语言和量子中间表示发展白皮书 10 经典、量子操作相统一,支持经典量子混合编程,提供诸多有利于量子程序构建、编译优化、运行、分析的实用工具,而且 QPanda 还支持 qif、qwhile 等控制流的量子程序设计方式。QPanda 拥有一个完开放的社区,完善的工具链,简便的编程方式,期望成为通用的量子编程框架,为研究人员的使用提供了更加高效的方式。(三三)独立式量子程序设计语言独立式量子程序设计语言 独立式量子程序设计语言往往会提供大量经典和量子数据类型、控制结构和高级能力。对应经典领域中,如 Python、C/C+等通用的高级
20、编程语言。典型的独立式量子程序设计语言包括 QRunes、Quingo、isQ等。1.QRunes QRunes 是高级量子经典混合编程语言,提供了高级抽象、自动取消计算、比特重用等功能的实现,利用完备的类型系统和健全的语法语义,协调约束量子操作和经典操作。QRunes 采用运行时编译,并且可拓展可重构。QRunes 编写的程序可以被编译成用户指定的目标,该目标可以是任何编程接口或者量子汇编语言。在设计量子语言 QRunes 时,为了和其他量子语言或者软件包进行区分,考虑了两个问题:其一是量子编程环境应该满足混合量子计算的需求;其二是量子代码的可重用性。量子经典混合编程结合了量子计算机和经典计
21、算机的力量。例如量子控制流 Qif、Qwhile的实现和变分量子算法,这些场景要求量子语言不是只考虑量子电路的搭建,还要考虑在整个算法过程中是如何编译的。在经典编程中,跨平台语言在现在软件工程中得到了广泛的应用。对比到量子编程量子汇编语言和量子中间表示发展白皮书 11 中,QRunes 希望实现可重用或者可移植的量子程序,从而省略语言差异和实现细节,实现只包含量子算法逻辑的量子语言。QRunes 包含大量高级语言特性,拥有丰富的类型系,包括经典类型系统和量子类型系统。与其他量子高级语言相比,QRunes 在语言的高级抽象上进行了尝试,把量子过程中确定过程的操作抽象成指令或表达式的形式,如+=、
22、-=操作,再由编译器根据上下文编译到对应后端的量子汇编语言上。QRunes 的这些高级抽象尝试在对量子算法的设计和量子编程的传播上有重大意义。QRunes 特有量子内存管理机制,其类似于经典操作中的运行时管理,通过取消临时变量的计算来达到辅助比特的回收利用。在运行量子程序时,临时变量与目标变量的纠缠会对测量结果产生影响,QRunes 研发能够针对临时变量进行自动取消计算,消除临时变量对结果产生影响的优化技术。通过可行的自动取消计算实现的算法,研究量子资源管理技术。该算法要求在保留原本量子程序的计算操作的同时,能够消除临时变量对于结果的影响,并且不会对结果造成影响。对于能够进行自动取消计算的临时
23、变量,如果为每一个临时变量都单独分配一个量子比特会导致量子资源大量的被消耗,根据临时变量的生命周期,在临时变量完成自动取消计算优化后,此时临时变量的作用比特为|0态。对该作用比特进行重新利用,使得一个比特可以保持多个临时变量,达到节约资源的目的。2.Quingo 使用量子程序设计语言控制 NISQ硬件时,可能产生两个需求:一是利用实时经典逻辑实现量子-经典异构计算,从而支持描述带实量子汇编语言和量子中间表示发展白皮书 12 时测量反馈的量子算法,例如迭代相位估计算法;二是显式地控制量子操作的时序甚至波形等底层信息,从而可以描述量子校准实验。绝大部分高级量子程序设计语言无法同时满足这两点需求。当
24、涉及到基于量子比特测量结果的实时经典运算时,绝大部分高级量子程序设计语言要么无法描述实时经典逻辑(如 Qiskit 等),要么相应的描述复杂且不够直观(如 Pyquil等)。聚焦上述需求和已有高级量子程序设计语言的不足,国防科技大学 QUANTA 团队、悉尼科技大学、华东师范大学等国内外团队共同提出了 Quingo(青果)语言,设计了面向 NISQ 时代的 Quingo 量子编程框架,可同时支持描述量子算法和量子实验。Quingo 语言相比于其他语言最核心的不同之处在于,Quingo 语言在高级语言设计上对量子-经典异构计算和量子实验的强有力的支持。这两个特性的体现和其背后的 Quingo 框
25、架是密不可分的。一定程度上可以说,Quingo 语言所蕴含的特点是 Quingo 框架的执行模型等诸多设计的表象,介绍Quingo语言实质上是揭示Quingo框架蕴含的内容。Quingo 框架包含四个组成部分,分别为量子程序、量子编译器、量子经典相关硬件以及运行时系统。量子程序的执行模型决定了这些组件的组织方式和工作模式。综合并总结以往的高级量子程序设计语言执行模型的演变可发现,伴随着量子计算系统的成熟,执行模型大致可以分为 3类QRAM(Quantum Random Access Machine,量子 随 机 存 取 机)模 型,受 限 的 量 子-经 典 异 构 计 算(HQCC,Hete
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