創(chuàng)新優(yōu)化量子電路! IBM架構(gòu)師Dmitri Maslov當選IEEE Fellow

北京時間1月20日消息（余予）Dmitri Maslov 因其在“量子電路集成與優(yōu)化以及量子計算機的編譯”方面的貢獻得到認可。

量子電路類似于經(jīng)典計算中的電路或程序。由于現(xiàn)有量子硬件的大小有限，量子電路簡短且高效尤為重要。與早期的可編程經(jīng)典計算機類似，當時的硬件又小又貴，一個高效的程序必須精心制作，以減少其長度和內(nèi)存占用。例如，變量重用曾是很普遍的做法，但是如今由于廉價和豐富的內(nèi)存，已經(jīng)不再需要這么做了。

Dmitri Maslov IBM Quantum首席軟件架構(gòu)師

IBM的首席軟件架構(gòu)師Dmitri Maslov為提高量子電路的效率展開了早期的基礎(chǔ)工作。他的貢獻包括為各種量子子例程（包括單量子位酉容錯、多重控制門、近似量子傅里葉變換 （QFT）、Select-V）和量子轉(zhuǎn)換類（可逆電路、Clifford電路）設(shè)計高效電路，構(gòu)建用于量子電路優(yōu)化（模板、相位多項式）、量子電路放置、技術(shù)優(yōu)化和資源權(quán)衡的框架。據(jù)悉，他設(shè)計的電路已用于多個有關(guān)量子算法的最新實驗演示中。

比如，得益于Dmitri Maslov的貢獻，IBM Quantum Experience平臺的用戶可能會發(fā)現(xiàn)多重控制的Toffoli門的實現(xiàn)，這是Grover搜索算法的核心轉(zhuǎn)變。

由于這項具有開創(chuàng)性的研究，IEEE授予Maslov 2021 Fellow稱號，以表彰其“在量子電路的集成和優(yōu)化以及對量子計算機進行編譯方面的貢獻”。

在下面的問答中，Dmitri Maslov解釋了量子電路、這些量子電路的編譯器以及成為IEEE Fellow對他的意義。

Q：“量子電路集成、優(yōu)化和編譯”如何改善量子計算機的功能？

Dmitri Maslov：編譯研究可歸結(jié)為研究一系列與在量子硬件上有效執(zhí)行量子算法相關(guān)的問題。這包括量子算法設(shè)計、量子電路集成、量子電路優(yōu)化（在所有抽象級別上）、量子電路放置、布局、調(diào)度、資源權(quán)衡和量子體系結(jié)構(gòu)，它們通常在量子編譯的框架下結(jié)合在一起。高效的編譯可以提供簡短、實用和隨時可用的量子程序，以解決量子硬件上的問題。

由于在奠定建立高效量子計算的基礎(chǔ)方面所做的工作，我被授予了IEEE Fellow。每個量子計算都需要被表示為一個物理量子計算硬件可以直接執(zhí)行的指令調(diào)度（一個電路）。對于當今的量子計算來說，為提高經(jīng)典計算的性能，這些指令調(diào)度需要盡可能短。

給定一個可以在量子計算機上解決的問題，我的目標是制定一個使用盡可能少的量子資源可以解決的指令。例如，一個依賴于M量子門（這也可以是電路寬度、深度或其他參數(shù)值）的指令調(diào)度。一旦找到具有M量子門的解決方案，我就嘗試尋找具有M-1量子門的解決方案，重復(fù)進行這一操作直至沒有更進一步的方案。當最佳量子電路被找到并證實其最佳性時，我感到十分有成就感。但這種情況不經(jīng)常發(fā)生，因為找到一個最佳電路并證明其最佳性非常困難，同時，由于這一系列操作保證了其最佳性能，因此是非常可取的。

此外，量子計算機需要配備高效的編譯器。低效的編譯器可能會因為合成比經(jīng)典量子指令調(diào)度更長的指令而使量子計算機完全無用。

“我現(xiàn)在最感興趣的話題是量子計算中的時空權(quán)衡，以及它們?nèi)绾闻c經(jīng)典計算中的時空權(quán)衡相比較。”

-IBM Dmitri Maslov博士

Q：什么是量子編譯器？

Dmitri Maslov：就像經(jīng)典計算機一樣，量子計算機由硬件和軟件組成。其中軟件最重要的方面之一是編譯器，它負責確定解決某個問題所需的量子資源數(shù)量，并提供可執(zhí)行的物理操作序列。

解決問題過程中，所需的量子資源越少，算法執(zhí)行得越快，答案也就越清晰，即保真度越高。對于有限大小的量子計算（例如，具有有限數(shù)量的量子位或可以應(yīng)用的有限數(shù)量的門的量子計算）來說，在劣質(zhì)編譯器需要超過可用資源的數(shù)量才能執(zhí)行計算的情況時，優(yōu)質(zhì)編譯器基于當前資源就能執(zhí)行計算。

同時，執(zhí)行過程中，你可能會發(fā)現(xiàn)，特別高效的電路需要使用在特定體系結(jié)構(gòu)上編排的特定指令。如果證明它遠勝于替代方案，就需要設(shè)計為執(zhí)行這種電路而優(yōu)化的量子硬件（類似于ASIC）。這說明量子編譯器具有改變量子計算路線圖或比預(yù)期更早實現(xiàn)里程碑的潛力。這種情況在經(jīng)典計算中已經(jīng)發(fā)生多次，所以不應(yīng)感到驚訝。

Q：成為IEEE Fellow對您以及量子計算領(lǐng)域有什么意義？

Dmitri Maslov：IEEE對經(jīng)典計算機有著至關(guān)重要的影響?？梢钥隙ǖ卣f，如果沒有IEEE成員的努力，如今眾所周知的經(jīng)典計算機就不會存在。同樣，如果要使量子計算成為可與經(jīng)典計算機相提并論的廣泛傳播的成熟技術(shù)，IEEE將需要在推動量子計算領(lǐng)域發(fā)展、促進思想交流、協(xié)助培養(yǎng)合格人員、制定標準等方面發(fā)揮重要作用。

“祝賀我在IBM Quantum的同事Dmitri。他被授予IEEE Fellow，這進一步強調(diào)了電路設(shè)計和編譯作為量子計算進展的一部分的重要性。作為IEEE的一員，我親身了解其成員們是如何協(xié)作和參與推動技術(shù)進步的。”

--Matthias Steffen博士，IBM Fellow，IBM 高級會員

能夠成為首批IEEE在量子計算領(lǐng)域認可的幾位Fellow之一，是我莫大的榮幸，因為這讓我成為了IEEE組織和量子計算行業(yè)重要組成部分的推動者。我希望在不久的將來，能在IEEE內(nèi)部看到一個量子計算協(xié)會的形成，并且我相信，它可能會成為IEEE規(guī)模較大的協(xié)會之一。事實上，它將包括許多現(xiàn)有的經(jīng)典IEEE計算協(xié)會的“量子”版本。

除此之外，我認為IEEE Fellow獎對于量子計算領(lǐng)域的意義在于，它預(yù)示著未來IEEE和量子計算社區(qū)將會進行緊密合作。

“每年增加的IEEE Fellow數(shù)量不超過IEEE投票成員總數(shù)的0.1%。”

--IEEE

據(jù)了解，Dmitri Maslov是IBM Quantum的首席軟件架構(gòu)師，負責IBM量子編譯器的開發(fā)，其中包括解決許多問題，以有效地在當今可用的量子硬件上執(zhí)行感興趣的算法。

現(xiàn)在，人們可以在量子計算機上運行電路，嘗試逐步教程，或是使用Qiskit在IBM Quantum Experience上編寫自己的程序。

附:

·IEEE：美國電子電氣工程師協(xié)會，Institute of Electrical and Electronics Engineers，國際性的電子技術(shù)與信息科學工程師的協(xié)會，于1963年1月1日在美國紐約市建立。IEEE定義的標準在工業(yè)界有極大的影響。

·IEEE Fellow：為IEEE協(xié)會最高等級會員，指在相關(guān)領(lǐng)域做出過一定貢獻的工程師、科學家、教育工作者、技術(shù)主管或發(fā)明家。

·QFT：量子傅里葉變換(quantum Fourier transform)，是一種離散傅里葉變換，將原式分解成更為簡單的多個幺正矩陣的積。

·Toffoli 門：又被稱作“控-控-非”門，“controlled-controlled-not (CCNOT)” gate)是由Tommaso Toffoli 提出的。它是一種通用可逆邏輯門，即任意可逆電路可由Toffoli 門構(gòu)造得到。它具有三路輸入和三路輸出。如果前兩位置一，它將倒置第三位，否則所有位保持不變。

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