A Structured Method for Compilation of QAOA Circuits in Quantum Computing
量子近似优化算法(QAOA)是一种求解组合优化问题的变分算法。QAOA算法的量子线路的一个重要特征是它由两个可交换的量子比特算符组成。重新排序双量子位门的灵活性允许编译器优化以生成具有更好深度、门计数和保真度的电路。然而,由于汇编中暴露的额外自由,它也带来了重大挑战。先前的研究缺乏以下方面:(1)性能保证,(2)可扩展性,以及(3)可扩展硬件中的规律性意识。我们提出了一种结构化的方法,确保线性深度的任何编译QAOA电路的多维量子架构。我们还演示了我们的方法如何在Google Sycamore和IBM非线性架构上以可扩展的方式和线性时间运行。总的来说,我们可以在10秒内编译一个高达1024个量子位的电路,深度加速3.8倍,门数减少17%,电路ESP提高18倍。
2022-07-20 quant-ph
Tableau-Based Framework for Efficient Logical Quantum Compilation
针对容错量子计算运行时开销高、大规模电路编译开销大的问题,提出基于Tableau的TQC编译框架,通过操作重排、延迟隐藏降低运行时开销,优化tableau数据结构实现编译性能千倍以上提升。
2025-09-02 quant-ph
ZAP: Zoned Architecture and Performant Compiler for Field Programmable Atom Array
Beijing Academy of Quantum Information Sciences(北京量子信息科学研究院);Beijing Key Laboratory of Fault-Tolerant Quantum Computing(北京容错量子计算北京市重点实验室);Department of Computer Science and Engineering, The Chinese University of Hong Kong(香港中文大学计算机科学与工程系);CAS Key Laboratory of Quantum Information, University of Science and Technology of China(中国科学院量子信息重点实验室,中国科学技术大学)
针对中性原子量子计算中逻辑电路映射到动态可重构原子阵列的编译-架构挑战,提出ZAP协同设计的分区架构和确定性编译器,通过单次编译流程实现多数量级加速并保持或提升执行质量。
2026-05-22 quant-ph
Coqa: Blazing Fast Compiler Optimizations for QAOA
针对现有量子编译器缺乏QAOA线路专用优化方法的问题,提出Coqa方案,结合LNN拓扑与哈密顿量权重启发式映射减少SWAP门,相较通用编译器实现门数降30%、编译提速39倍。
2024-08-15 quant-ph
Resource-Efficient Compilation of Distributed Quantum Circuits for Solving Large-Scale Wireless Communication Network Problems
针对无线传感器网络路由优化需求,提出一种分布式量子电路资源高效编译方法,通过谱聚类划分网络、QAOA优化子图路由,相较传统经典算法实现显著节能与可扩展性提升,为网络优化提供量子计算融合的高效方案。
2025-01-17 cs.DC quant-ph
Tetris: A Compilation Framework for VQA Applications in Quantum Computing
本文提出面向近期量子设备上 VQA 应用的编译框架 Tetris,通过 Pauli 串中间表示优化双量子比特门并利用快速桥接降低映射成本,在多种分子上显著减少 CNOT 门数、电路深度和持续时间。
2024-05-05 quant-ph
One-Time Compilation of Device-Level Instructions for Quantum Subroutines
针对量子-经典迭代流程中重复设备级编译导致的显著开销,本文提出 DLPC 技术,通过参数化机器代码和 RPC 动态更新脉冲/门参数,在囚禁离子系统上实现最高 2.7 倍加速。
2024-09-06 cs.ET cs.SE quant-ph
Hybrid Circuit Mapping: Leveraging the Full Spectrum of Computational Capabilities of Neutral Atom Quantum Computers
针对中性原子量子计算机,提出首个结合高保真门相互作用与量子比特穿梭的快速混合编译器,通过解决编译复杂性并支持多量子比特门路由,充分利用其全频谱计算能力以提升电路映射与路由的保真度。
2023-11-23 cs.ET quant-ph
Arline Benchmarks: Automated Benchmarking Platform for Quantum Compilers
量子算法的有效编译在噪声中等规模量子(NISQ)设备时代至关重要。虽然有多种开源量子编译和电路优化框架可用,例如IBM Qiskit,CQC Tket,Google Cirq,Rigetti Quilc,PyZX,但量子程序员并不总是清楚它们的相对性能。量子线路编译算法的复杂性和多样性的增长产生了对用于量子编译栈的内部工作流的交叉基准测试和剖析的专用工具的需求。我们提出了一个开源软件包Arline Benchmarks,旨在执行量子编译器的自动基准测试,重点是NISQ应用程序。“Arline”这个名字是为了纪念量子计算的先驱理查德·费曼的第一任妻子Arline Greenbaum Feynman。我们比较了几个量子编译框架的基础上的一组重要的指标,如优化后的门数,电路深度,硬件依赖的电路成本函数,编译器运行时间等,与每个编译阶段的指标的详细分析。我们对几种流行的量子硬件架构的随机电路和结构化量子算法(VQE,Trotter分解,Grover搜索,通过幅度估计的期权定价)进行了各种编译器测试。利用Arline的跨平台功能,我们提出了一个复合编译流水线的概念,它将编译器特定的电路优化子程序组合在一个编译堆栈中,并找到一个优化的编译通道序列。通过提供对量子编译器编译流程的详细见解,Arline Benchmarks为量子计算研究人员和软件开发人员提供了一个有价值的工具包,以获得对编译器特…
2022-02-28 cs.SE quant-ph
A Platform-aware Compilation Framework for Fault-tolerant Quantum Computation
NNF Quantum Computing Programme, Niels Bohr Institute, University of Copenhagen(哥本哈根大学尼尔斯·玻尔研究所);Quantum Engineering Centre for Doctoral Training, H. H. Wills Physics Laboratory and School of Electrical, Electronic, and Mechanical Engineering, University of Bristol(布里斯托大学电气、电子和机械工程学院);Nano-Science Center and Department of Chemistry, University of Copenhagen(哥本哈根大学纳米科学中心及化学系)
提出一种平台感知的编译框架,通过重新编译量子电路为硬件兼容指令集和容错操作,提供端到端资源估算,并引入t-AV架构,在多种硬件上实现高效容错量子计算。
2026-09-09 quant-ph
HSF-S: Speed-Optimized Compilation and Acceleration for Hybrid Schrodinger-Feynman Quantum Circuit Emulation
Department of Intelligent Semiconductor Engineering, Chung-Ang University(中央大学智能半导体工程系)
研究针对混合薛定谔 - 费曼量子电路仿真实际运行时间受跨边界双量子比特门指数级路径增长主导的问题,提出HSF-S框架,通过特定方法抑制跨边界相互作用,降低路径成本,在基准电路上大幅提高可处理性并实现加速。
2026-07-14 cs.ET quant-ph
AC/DC: Automated Compilation for Dynamic Circuits
Lawrence Berkeley National Laboratory(劳伦斯伯克利国家实验室);University of California, Berkeley(加州大学伯克利分校)
本文提出AC/DC自动化编译框架,利用数值优化生成含中测与前馈的动态量子电路,可制备任意酉算子或态,显著降低电路深度,为近期量子计算优化开辟新路。
2026-09-17 quant-ph
FT-Weave: Real-Time Compilation Framework for Reconfigurable Fault-Tolerant Quantum Architectures
University of California, Los Angeles(加州大学洛杉矶分校);QuEra Computing Inc.(QuEra计算公司)
针对容错量子编译中离线调度无法适应随机资源结果的问题,提出实时编译框架FT-Weave,联合协调资源制备、分配、路由与纠错,在两种中性原子架构上实现高达3倍加速,并揭示运行时协调比暴露并行性更关键。
2026-09-18 quant-ph
Demonstration of Exponential Quantum Speedup with Constant-Depth Compiled Circuits for Simon's Problem
University of Southern California(南加州大学);Quantum Elements, Inc.(量子元素公司)
针对Simon问题的限制汉明重量版本,通过硬件感知编译将量子电路深度降至常数,在IBM量子处理器上实现指数级量子加速,并观察到NTS指标的指数级优势。
2026-06-17 quant-ph
Physics-Aware Compilation for Parallel Quantum Circuit Execution on Neutral Atom Arrays
针对中性原子量子计算机现有编译方法规模化时的性能瓶颈,提出物理感知编译PAC方法,结合硬件特性划分资源与改进算法并行划分电路,在多规模阵列下实现显著加速且保障电路质量,为其实际应用提供可行路径。
2025-05-19 cs.ET quant-ph
Batching Circuits to Reduce Compilation in Quantum Control Hardware
本文针对 QSCOUT 离子阱量子计算机,提出在定制软件中批处理 Jaqal 电路以减少通信与代码上传、缓解漂移,并通过 VQE 量子化学实验验证其性能提升。
2022-07-29 quant-ph
Partial Compilation of Variational Algorithms for Noisy Intermediate-Scale Quantum Machines
量子计算正处于现实的风口浪尖,目前正在开发和测试噪声中等规模量子(NISQ)机器。这些机器的一些最有前途的算法是变分算法,它采用经典优化与量子硬件相结合来评估每个候选解决方案的质量。最近的工作使用GRadient Descent Pulse Engineering(GRAPE)将量子程序转换为高度优化的机器控制脉冲,从而大大减少了程序的执行时间。这一点至关重要,因为量子机器在失败之前几乎无法支持短程序的执行。然而,GRAPE遭受高编译延迟,这在变分算法中是站不住脚的,因为编译与计算是交错的。我们提出了两种策略,部分编译,利用变分电路的结构,预编最佳脉冲的特定块的门。我们的研究结果表明,在典型的基准测试中,脉冲加速范围从1.5倍到3倍不等,只有GRAPE编译延迟的一小部分。
2019-09-16 cs.SY eess.SY quant-ph
DC-MBQC: A Distributed Compilation Framework for Measurement-Based Quantum Computing
Peking University(北京大学);The Chinese University of Hong Kong(香港中文大学)
本文提出DC-MBQC,一种面向测量式量子计算的分布式编译框架,通过自适应图划分算法和层调度算法提升光子系统的执行效率和光子寿命。
2026-01-01 quant-ph
Fast Swapping in a Quantum Multiplier Modelled as a Queuing Network
预测量子线路的最佳SWAP深度是有用的,因为它通知编译器关于必要的优化的量。快速预测方法将被证明对实际量子线路的编译是必不可少的。在本文中,我们提出量子线路可以建模为排队网络,使有效的提取并行性和持续时间的SWAP电路。为了提供这种方法的初步验证,我们编译了一个量子乘法器电路,并使用排队网络模型来准确地确定量子线路的并行度和持续时间。我们的方法是可扩展的,并具有潜在的速度和精度所需的大规模量子线路编译。
2021-06-26 quant-ph
Quantum Compilation Toolkit for Rydberg Atom Arrays with Implications for Problem Hardness and Quantum Speedups
Amazon Advanced Solutions Lab(亚马逊先进解决方案实验室);AWS Center for Quantum Computing(亚马逊云科技量子计算中心);Global Technology Applied Research, JPMorgan Chase(摩根大通全球技术应用研究)
本研究提出并实现了面向里德堡原子阵列的三模块端到端量子编译工具包,用于求解MIS问题,可高效约简问题规模、检查硬件兼容性、实现可控开销的图嵌入,并在QuEra Aquila设备上验证,拓展了近期里德堡原子阵列的可解问题范围。
2025-01-14 cond-mat.dis-nn cond-mat.quant-gas physics.atom-ph
Harvest: Resource-Aware Quantum Compilation for Magic State Protocols
Technical University of Munich(慕尼黑工业大学)
该研究针对格点手术量子编译提出资源感知方法Harvest,协同优化魔术态消耗、布局与路由,在基准套件上实现显著加速,提升调度长度并回收大量未使用资源。
2026-08-05 quant-ph
Versatile Cross-platform Compilation Toolchain for Schrödinger-style Quantum Circuit Simulation
针对量子算法验证需求,提出跨平台编译工具链CAST,利用稀疏感知门融合和LLVM/PTX优化,在CPU和GPU上分别实现最高8.03倍和39.3倍加速。
2025-03-25 cs.ET cs.PF quant-ph
ARGON: A GNN-Empowered Compilation Framework for Scalable Neutral Atom Computing
University of Electronic Science and Technology of China(电子科技大学)
针对中性原子量子计算编译面临的问题,提出ARGON框架,采用时空解耦范式,利用图神经网络预测器和启发式路由器,实现高效编译,相比现有基线大幅加速,提高执行保真度。
2026-07-24 cs.ET quant-ph
Efficient Compilation for Shuttling Trapped-Ion Machines via the Position Graph Architectural Abstraction
University of Delaware(特拉华大学);Lawrence Berkeley National Laboratory(劳伦斯伯克利国家实验室)
本文提出了一种统一的硬件抽象'位置图',用于高效编译离子陷阱量子计算架构,通过SHuttling-Aware PERmutative和SHuttling-AWare算法解决离子陷阱机器的复杂约束和动态问题,生成符合物理约束的可执行电路。
2026-05-18 cs.ET quant-ph
Compilation of Fault-Tolerant Quantum Heuristics for Combinatorial Optimization
在这里,我们将探讨哪些启发式量子算法的组合优化可能是最实用的尝试在一个小型的容错量子计算机。我们编译电路的几个变种的量子加速模拟退火,包括那些使用qubitization或Szegedy散步,以避免经典的马尔可夫链和那些模拟的频谱间隙放大的哈密顿编码吉布斯状态。我们还优化了绝热算法,量子增强的人口转移,量子近似优化算法和其他方法的容错实现。这些方法中的许多方法都是通过调用相同的子程序来检查的;因此,无论哪种启发式方法在实践中最有效,都应该对这些原语的优化电路感兴趣。我们编译这些瓶颈的几个家庭的优化问题,并报告多久,什么规模的系统可以执行这些算法在表面码给定的资源预算范围。我们的研究结果不鼓励的概念,任何量子优化启发式实现只有二次加速将实现一个优势,在适度的超导量子位表面码处理器上的经典算法没有显着改善的表面码的实施。例如,在量子有利的假设下(例如,我们的分析表明,量子加速模拟退火将需要大约一天和一百万个物理量子比特来优化自旋玻璃,而经典模拟退火可以在大约四个CPU分钟内解决。
2020-08-05 quant-ph
Parallelizing the Variational Quantum Eigensolver: From JIT Compilation to Multi-GPU Scaling
Embry-Riddle Aeronautical University(埃默里·里德尔航空大学)
本研究通过JIT编译、GPU加速、MPI并行和多GPU扩展,实现了VQE算法在计算氢分子势能面中的高效并行化,总加速达117倍,将运行时间从10分钟缩短至5秒。
2026-10-09 quant-ph
Quantum Circuit Synthesis and Compilation Optimization: Overview and Prospects
MoE Key Lab of Artificial Intelligence, Shanghai Jiao Tong University(人工智能教育部重点实验室,上海交通大学)
本文综述量子电路综合与编译优化技术,探讨结合人工智能实现从算法到硬件的一体化设计与优化,以降低成本并提升执行精度与效率。
2025-10-14 cs.ET cs.LG quant-ph
COGNAC: Circuit Optimization via Gradients and Noise-Aware Compilation
COGNAC利用可微噪声模型和GPU梯度优化编译量子电路,通过消除旋转角为零的门来减小电路规模,在超导硬件上实现比现有优化器更低噪声且编译速度具有竞争力的电路优化。
2025-04-09 cs.PL quant-ph
Optimized Compilation of Aggregated Instructions for Realistic Quantum Computers
The University of Chicago(芝加哥大学)
工程和算法的最新发展使量子计算在不久的将来成为可能。现有的量子编程语言和编译器使用由1-和2-qubit(量子位)门组成的量子汇编语言。量子编译器框架将此量子集合转换为电信号(称为控制脉冲),这些电信号在特定的物理设备上实现指定的计算。然而,由1和2量子位逻辑ISA定义的操作与其底层物理实现之间存在不匹配,因此目前将逻辑指令直接转换为控制脉冲的做法导致效率低下,高延迟程序。为了解决这种效率低下的问题,我们提出了一种通用的量子编译方法,将多个逻辑运算聚合到更大的单元中,一次操作多达10个量子位。然后,我们的方法通过以下方式优化这些聚合:(1)找到可交换的中间操作,从而实现更有效的调度;(2)创建针对聚合优化的自定义控制脉冲(而不是单独的1量子位和2量子位操作)。与标准的基于门的编译相比,所提出的方法实现了高级量子软件和低级物理量子硬件的更深层次的垂直集成。我们评估我们的方法对重要的近期量子应用超导量子架构的模拟。我们提出的方法提供了一个平均的$5\times$的加速比,最大值为$10\times$。由于延迟直接影响量子计算的可行性,我们的结果不仅提高了性能,而且有可能比其他方式更快地实现量子计算。
2019-02-17 cs.CL quant-ph
Robust Control of Single-Qubit Gates at the Quantum Speed Limit
本文研究量子速度极限下的鲁棒时间最优控制问题,基于幺正传播子泰勒展开构建增广有限维系统,并利用梯度下降算法求解,所得时间最优控制脉冲能有效抑制单量子比特系统中由频率和场幅不确定性引起的门误差。
2023-09-11 quant-ph
Faster quantum chemistry simulations on a quantum computer with improved tensor factorization and active volume compilation
PsiQuantum;Quantum Lab, Boehringer Ingelheim(勃林格殷格翰量子实验室);Medicinal Chemistry, Boehringer Ingelheim Pharma GmbH & Co. KG(勃林格殷格翰制药公司药物化学部)
本文提出改进的张量分解与主动体积编译方法,显著提升分子电子结构计算效率,实现两量级的运行时间加速,重点验证了P450分子的计算性能。
2026-07-31 physics.chem-ph quant-ph
Parallax: A Compiler for Neutral Atom Quantum Computers under Hardware Constraints
本文提出名为 Parallax 的中性原子量子计算机编译与原子移动调度方法,通过零交换、可扩展和可并行化设计,将高误差操作减少 25%,成功率平均提高 28%。
2024-10-10 cs.AR cs.ET quant-ph
Leveraging Landau-Zener-Stückelberg interference for accelerating diabatic quantum annealing
Qilimanjaro Quantum Tech.(Qilimanjaro量子技术);Universitat de Barcelona(巴塞罗那大学);Barcelona Supercomputing Center(巴塞罗那超级计算中心);Sandia National Laboratories(桑迪亚国家实验室)
本文通过识别Landau-Zener-Stückelberg干涉机制,提出一种少参数变分调度ansatz,实现非绝热量子退火的指数级加速,并证明相干性是其关键资源。
2026-06-08 quant-ph
Compilation of Trotter-Based Time Evolution for Partially Fault-Tolerant Quantum Computing Architecture
本文针对STAR部分容错量子架构,提出并行注入协议和自适应注入区域更新技术,结合fSWAP优化二维Hubbard模型的Trotter时间演化编译,实现超10倍加速并评估了量子相位估计所需资源。
2024-10-23 cond-mat.str-el quant-ph
Chipmunq: A Fault-Tolerant Compiler for Chiplet Quantum Architectures
Technical University of Munich(慕尼黑工业大学)
Chipmunq 是首个面向模块化架构的硬件感知编译器,通过保留逻辑量子比特完整性,显著提升容错电路的编译效率与电路深度,减少门操作数量并降低逻辑错误率。
2026-03-25 quant-ph
Stabilizers for Compiling Logical Circuits under Hardware Constraints
University of Arizona(亚利桑那大学)
本文探讨了在硬件限制下如何通过稳定器技术实现逻辑电路的编译,提出利用纠错码的冗余性来增强编译灵活性,并通过最优化方法解决逻辑等价操作的选择问题。
2026-04-27 cs.IT math.IT quant-ph
Qubit Mapping: The Adaptive Divide-and-Conquer Approach
针对NP完全的量子比特映射问题,提出利用子图同构、子电路一致性和启发式路由优化的自适应分治算法ADAC,并在多类NISQ设备与基准上验证其显著优于现有方法。
2024-09-07 quant-ph
Comparing and Integrating Constraint Programming and Temporal Planning for Quantum Circuit Compilation
Quantum Artificial Intelligence Laboratory, NASA Ames Research Center(量子人工智能实验室,美国国家航空航天局阿姆斯特朗研究中心);Planning and Scheduling Group, NASA Ames Research Center(规划与调度组,美国国家航空航天局阿姆斯特朗研究中心);USRA Research Institute for Advanced Computer Science(美国宇航局高级计算机科学研究所);Stinger Ghaffarian Technologies, Inc.(Stinger Ghaffarian技术公司);Department of Mechanical & Industrial Engineering, University of Toronto(多伦多大学机械与工业工程系)
本文比较了约束编程与时间规划在量子电路编译中的应用,提出混合方法提升求解质量,证明混合方法在多数问题中优于单独使用时间规划。
2018-03-19 cs.AI cs.ET cs.SY
DYNAMO: Dynamic Neutral Atom Multi-programming Optimizer Towards Quantum Operating Systems
DYNAMO通过并行编译和跨QPU智能资源分配在中性原子量子架构上实现多程序,解决了资源划分和调度冲突问题,编译加速高达14.39倍,执行阶段平均减少50.47%,为实用量子操作系统奠定基础。
2025-07-07 cs.ET quant-ph
QPipe: LLM-Based Agentic Quantum Application Generation for Test Optimization
Beihang University(北京航空航天大学);Mondragon University(蒙德拉贡大学)
提出QPipe,一种基于大语言模型的多代理架构,自动将自然语言需求转化为可执行的量子应用工作流,在测试优化问题上实现高编译率和执行率。
2026-11-03 cs.SE quant-ph
Inverse-Transpilation: Reverse-Engineering Quantum Compiler Optimization Passes from Circuit Snapshots
Pennsylvania State University(宾夕法尼亚州立大学)
本文提出基于机器学习的框架,通过分析原始与编译后量子电路的结构差异逆向推断优化技术,实验表明神经网络检测优化遍的F1分数高达0.96,揭示了编译器机密性面临的威胁。
2025-04-27 cs.LG quant-ph
Leveraging Phase Polynomials for Quantum Circuit Optimization
Rutgers University(罗格斯大学);Carnegie Mellon University(卡内基梅隆大学);Yonsei University(延世大学)
本文提出PhasePoly编译器优化方法,通过联合优化相奇偶性和输出奇偶性网络,利用跨块中间表示重用奇偶性,有效减少门数和CNOT门数,提升大电路的容错编译和近期硬件执行效率。
2026-06-28 cs.PL quant-ph
QOPS: A Compiler Framework for Quantum Circuit Simulation Acceleration with Profile Guided Optimizations
本文提出量子编译器框架 QOPS,通过剖面引导优化加速量子电路模拟,实验显示其模拟器特定优化可提速1.19倍,硬件无关优化在仅需极少编译时间的情况下实现16%加速。
2024-10-20 cs.PF cs.SE quant-ph