論文の概要: Unitary Expressions: A Necessary Abstraction for Extensible Quantum Programming Languages and Systems

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2501.09667v1
• Date: Thu, 16 Jan 2025 17:05:41 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-01-17 15:09:15.663614
• Title: Unitary Expressions: A Necessary Abstraction for Extensible Quantum Programming Languages and Systems
• Title（参考訳）: ユニタリ表現:拡張可能な量子プログラミング言語とシステムに必要な抽象化
• Authors: Ed Younis,
• Abstract要約: シンボルユニタリ表現として記述されたゲートからなるプログラムを記述・解析・最適化・分析・活用するためのOpenQuditシステムを提案する。 QGLはユニタリ固有の式言語で、OpenQuditでジャスト・イン・タイムのコンパイラを差別化する。 我々のQVMは、現在の主要な数値量子コンパイルフレームワークの約10倍高速に計算できる。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.21756081703276003
• License:
• Abstract: Quantum gates are the fundamental instructions of digital quantum computers. Current programming languages, systems, and software development toolkits identify these operational gates by their titles, which requires a shared understanding of their meanings. However, in the continuously developing software ecosystem surrounding quantum computing -- spanning high-level programming systems to low-level control stacks -- this identification process is often error-prone, challenging to debug, maintenance-heavy, and resistant to change. In this paper, we propose replacing this nominal gate representation with a functional one. We introduce the OpenQudit system for describing, parsing, optimizing, analyzing, and utilizing programs comprising gates described as symbolic unitary expressions. As part of this effort, we design the Qudit Gate Language (QGL), a unitary-specific expression language, and implement a differentiating just-in-time compiler in OpenQudit towards embedding this language in quantum programming languages and systems. Additionally, we have precisely designed and implemented the Qudit Virtual Machine (QVM) to evaluate quantum programs and their gradients efficiently. This evaluation is performed millions of times during the compilation of quantum programs. Our QVM can compute gradients approximately ten times faster than current leading numerical quantum compilation frameworks in the most common use cases. Altogether, the OpenQudit system is envisioned to (1) support many-level or qudit-based quantum systems, (2) enable the safe composition of program transformation tools, (3) accelerate circuit optimizers and transpilers, (4) enable compiler extensibility, and (5) provide a productive, simple-to-use interface to quantum practitioners.
• Abstract（参考訳）: 量子ゲートはデジタル量子コンピュータの基本命令である。 現在のプログラミング言語、システム、およびソフトウェア開発ツールキットは、これらの操作ゲートをそれらのタイトルによって識別する。 しかしながら、量子コンピューティングを取り巻くソフトウェアエコシステム -- ハイレベルなプログラミングシステムから低レベルなコントロールスタックまで -- において、この識別プロセスは、しばしばエラーが発生し、デバッグ、メンテナンスの重大さ、変更に抵抗する。 本稿では,この名目ゲート表現を機能的に置き換えることを提案する。 シンボルユニタリ表現として記述されたゲートからなるプログラムを記述・解析・最適化・分析・活用するためのOpenQuditシステムを提案する。 この取り組みの一環として、一元的な表現言語であるQudit Gate Language (QGL) を設計し、量子プログラミング言語やシステムにこの言語を組み込むため、OpenQudit に微分ジャストインタイムコンパイラを実装した。 さらに,量子プログラムとその勾配を効率的に評価するQudit Virtual Machine (QVM) を設計,実装した。 この評価は、量子プログラムのコンパイル中に何百万回も行われる。 我々のQVMは、最も一般的なユースケースにおいて、現在の主要な数値量子コンパイルフレームワークの約10倍の勾配を計算することができる。 同様に、OpenQuditシステムは、(1)多レベルまたはキューディットベースの量子システムのサポート、(2)プログラム変換ツールの安全な構成の実現、(3)アクセラレーション回路オプティマイザとトランスパイラ、(4)コンパイラの拡張性の実現、(5)量子実践者に生産的で使いやすいインターフェースを提供することが想定されている。

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