Numerous quantum algorithms require the use of quantum error correction to overcome the intrinsic unreliability of physical qubits. However, error correction imposes a unique performance bottleneck, known as T-complexity, that can make an implementation of an algorithm as a quantum program run more slowly than on idealized hardware. In this work, we identify that programming abstractions for control flow, such as the quantum if-statement, can introduce polynomial increases in the T-complexity of a program. If not mitigated, this slowdown can diminish the computational advantage of a quantum algorithm. To enable reasoning about the costs of control flow, we present a cost model that a developer can use to accurately analyze the T-complexity of a program and pinpoint the sources of slowdown. We also present a set of program-level optimizations, that a developer can use to rewrite a program to reduce its T-complexity, predict the T-complexity of the optimized program using the cost model, and then compile it to an efficient circuit via a straightforward strategy. We implement the program-level optimizations in Spire, an extension of the Tower quantum compiler. Using a set of 11 benchmark programs that use control flow, we show that the cost model is accurate, and that Spire's optimizations recover programs that are asymptotically efficient, meaning their runtime T-complexity under error correction is equal to their time complexity on idealized hardware. Our results show that optimizing a program before it is compiled to a circuit can yield better results than compiling the program to an inefficient circuit and then invoking a quantum circuit optimizer found in prior work. For our benchmarks, only 2 of 8 tested circuit optimizers recover circuits with asymptotically efficient T-complexity. Compared to these 2 optimizers, Spire uses 54x to 2400x less compile time.


翻译:众多量子算法需要借助量子纠错来克服物理量子比特固有的不可靠性。然而,纠错会引入一种独特的性能瓶颈——T复杂度,这使得量子程序实现的算法在运行速度上可能慢于理想硬件。本工作中,我们发现控制流编程抽象(例如量子if语句)会以多项式级增长程序的T复杂度。若不加缓解,这种降速将削弱量子算法的计算优势。为支持对控制流代价的推理,我们提出一种成本模型,开发者可借此精确分析程序的T复杂度并定位降速根源。我们还提出一组程序级优化方法,开发者可用来重写程序以降低其T复杂度,利用成本模型预测优化后程序的T复杂度,再通过直接策略将其编译为高效电路。我们在Tower量子编译器的扩展Spire中实现了这些程序级优化。基于11个使用控制流的基准程序,我们证明该成本模型准确有效,且Spire的优化能够恢复渐近高效的程序——即纠错下的运行时T复杂度与理想硬件的运行时时间复杂度相等。结果表明,在编译为电路前优化程序,比先编译为低效电路再调用前人工作提出的量子电路优化器效果更佳。在我们的基准测试中,8个受测电路优化器仅有2个能恢复具有渐近高效T复杂度的电路。与这两个优化器相比,Spire的编译时间减少了54至2400倍。

0
下载
关闭预览

相关内容

FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
Single-Shot Object Detection with Enriched Semantics
统计学习与视觉计算组
14+阅读 · 2018年8月29日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
最新内容
《Palantir的科技生态系统》
专知会员服务
1+阅读 · 今天15:23
《反无人机系统传感器融合》90页报告
专知会员服务
4+阅读 · 今天14:57
运用人工智能与卫星通信驱散“战争迷雾”
专知会员服务
2+阅读 · 今天14:45
ACL 2026 | LLMSurgeon:从生成文本诊断大模型训练数据
【综述】世界模型:架构、方法、推理与应用全景
综述 | OPSD:大语言模型的在线策略自蒸馏
专知会员服务
4+阅读 · 6月1日
帕兰蒂尔Maven:军事人工智能的新纪元
专知会员服务
8+阅读 · 6月1日
相关资讯
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
Single-Shot Object Detection with Enriched Semantics
统计学习与视觉计算组
14+阅读 · 2018年8月29日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
相关基金
国家自然科学基金
0+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员