Quantum computing is a rapidly evolving field that enables exponential speed-up over classical algorithms. At the heart of this revolutionary technology are quantum circuits, which serve as vital tools for implementing, analyzing, and optimizing quantum algorithms. Recent advancements in quantum computing and the increasing capability of quantum devices have led to the development of more complex quantum circuits. However, traditional quantum circuit diagrams suffer from scalability and readability issues, which limit the efficiency of analysis and optimization processes. In this research, we propose a novel visualization approach for large-scale quantum circuits by adopting semantic analysis to facilitate the comprehension of quantum circuits. We first exploit meta-data and semantic information extracted from the underlying code of quantum circuits to create component segmentations and pattern abstractions, allowing for easier wrangling of massive circuit diagrams. We then develop Quantivine, an interactive system for exploring and understanding quantum circuits. A series of novel circuit visualizations are designed to uncover contextual details such as qubit provenance, parallelism, and entanglement. The effectiveness of Quantivine is demonstrated through two usage scenarios of quantum circuits with up to 100 qubits and a formal user evaluation with quantum experts. A free copy of this paper and all supplemental materials are available at https://osf.io/2m9yh/?view_only=0aa1618c97244f5093cd7ce15f1431f9.


翻译:量子计算是一个快速发展的领域,能够实现相对于经典算法的指数级加速。这一革命性技术的核心是量子电路,它是实现、分析和优化量子算法的重要工具。近年来量子计算的进步以及量子设备能力的提升,推动了更复杂量子电路的发展。然而,传统量子电路图存在可扩展性和可读性问题,限制了分析和优化过程的效率。在本研究中,我们提出了一种针对大规模量子电路的新型可视化方法,通过语义分析来促进对量子电路的理解。我们首先利用从量子电路底层代码中提取的元数据和语义信息,创建组件分割和模式抽象,从而更便捷地处理大规模电路图。随后,我们开发了交互式系统Quantivine,用于探索和理解量子电路。一系列新型电路可视化设计被用于揭示量子比特来源、并行性和纠缠等上下文细节。通过两个包含多达100个量子比特的量子电路使用场景以及面向量子专家的正式用户评估,验证了Quantivine的有效性。本文及所有补充材料的免费副本可从https://osf.io/2m9yh/?view_only=0aa1618c97244f5093cd7ce15f1431f9获取。

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