論文の概要: Qubit Mapping and Routing tailored to Advanced Quantum ISAs: Not as Costly as You Think

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2511.04608v1
• Date: Thu, 06 Nov 2025 17:58:53 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-11-07 20:17:53.548013
• Title: Qubit Mapping and Routing tailored to Advanced Quantum ISAs: Not as Costly as You Think
• Title（参考訳）: 量子ISAに合わせたクビットマッピングとルーティング
• Authors: Zhaohui Yang, Kai Zhang, Xinyang Tian, Xiangyu Ren, Yingjian Liu, Yunfeng Li, Jianxin Chen, Dawei Ding, Yuanx Xie,
• Abstract要約: Canopusは、様々な量子ISAに適用可能な統一量子ビットマッピング/ルーティングフレームワークである。 Canopusは、最先端の方法と比較して、ルーティングオーバーヘッドを15%から35%削減する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 18.302701580031346
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Qubit mapping/routing is a critical stage in compilation for both near-term and fault-tolerant quantum computers, yet existing scalable methods typically impose several times the routing overhead in terms of circuit depth or duration. This inefficiency stems from a fundamental disconnect: compilers rely on an abstract routing model (e.g., three-$ \mathrm{CX} $-unrolled SWAP insertion) that completely ignores the idiosyncrasies of native gates supported by physical devices. Recent hardware breakthroughs have enabled high-precision implementations of diverse instruction set architectures (ISAs) beyond standard $\mathrm{CX}$-based gates. Advanced ISAs involving gates such as $\mathrm{\sqrt{iSWAP}}$ and $\mathrm{ZZ}(\theta)$ gates offer superior circuit synthesis capabilities and can be realized with higher fidelities. However, systematic compiler optimization strategies tailored to these advanced ISAs are lacking. To address this, we propose Canopus, a unified qubit mapping/routing framework applicable to diverse quantum ISAs. Built upon the canonical representation of two-qubit gates, Canopus centers on qubit routing to perform deep co-optimization in an ISA-aware approach. Canopus leverages the two-qubit canonical representation and the monodromy polytope to model the synthesis cost for more intelligent $ \mathrm{SWAP} $ insertion during the routing stage. We also formalize the commutation relations between two-qubit gates through the canonical form, providing a generalized approach to commutativity-based optimizations. Experiments show that Canopus consistently reduces routing overhead by 15\%-35\% compared to state-of-the-art methods across different ISAs and topologies. Our work also presents a coherent method for co-exploration of program patterns, quantum ISAs, and hardware topologies.
• Abstract（参考訳）: クビットマッピング/ルーティングは、短期的およびフォールトトレラントな量子コンピュータのコンパイルにおいて重要な段階であるが、既存のスケーラブルな手法では回路の深さや持続時間の何倍ものルーティングオーバーヘッドを課すのが一般的である。 コンパイラは抽象的なルーティングモデル(例: 3-$ \mathrm{CX} $-unrolled SWAP insert)に依存し、物理デバイスでサポートされているネイティブゲートの慣用性を完全に無視する。 近年のハードウェアのブレークスルーにより、標準的な$\mathrm{CX}$ベースゲートを超える多様な命令セットアーキテクチャ(ISA)の高精度実装が可能になった。 $\mathrm{\sqrt{iSWAP}}$や$\mathrm{ZZ}(\theta)$ gatesのようなゲートを含む高度なISAは優れた回路合成機能を提供し、高い忠実度で実現することができる。 しかし、これらの高度なISAに合わせた体系的なコンパイラ最適化戦略は欠如している。 そこで我々は,様々な量子ISAに適用可能な統一量子ビットマッピング/ルーティングフレームワークであるCanopusを提案する。 2量子ゲートの標準表現に基づいて、Canopusは、ISA対応アプローチで深いコ最適化を行うために、キュービットルーティングに重点を置いている。 Canopusは2ビットの標準表現とモノドロミーポリトープを利用して、よりインテリジェントな$ \mathrm{SWAP} $挿入の合成コストをモデル化する。 また、2ビットゲート間の可換関係を標準形式で定式化し、可換性に基づく最適化への一般化したアプローチを提供する。 実験によると、Canopusは異なるISAとトポロジをまたいだ最先端の手法と比較して、ルーティングのオーバーヘッドを15～35パーセント削減している。 また,プログラムパターン,量子ISA,ハードウェアトポロジのコヒーレントな探索手法を提案する。

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