第一列
編譯系統在釋放硬體所能提供計算能力扮演關鍵角色。本計畫旨在開發量子編譯系統，讓量子演算法能夠經由編譯在量子硬體處理器上執行。編譯器開發需要充足的軟體與處理器架構資訊以分析軟硬體間的相互作用，本計畫將建構量子編譯系統，探討量子程序的合成、模擬、驗證和測試，將實現量子演算法的程式自動轉換與優化至量子組合語言程式，於量子處理器上執行。透過電子設計自動化(Electronic Design Automation)技術，本計畫將研發量子編譯系統在合成、模擬、驗證和測試的各項關鍵技術與軟體工具鏈，介接量子計算的應用軟體與處理器硬體。
量子程序編譯系統
-
共同主持人
-
李建模（國立臺灣大學電子工程學研究所）
-
洪士灝（國立臺灣大學資訊工程學系暨研究所）
-
黃鐘揚（國立臺灣大學電子工程學研究所）
以量子近似優化演算法(QAOA) 解決最大割問題的量子電路模擬最佳化
- 此技術欲解決問題：
在虛擬量子電腦上執行量子近似優化演算法（QAOA） 來解決的組合最佳化問題時，需要大規模算力，模擬速度慢。 - 重要性/突破性：
我們提出了一些技術來加速 QAOA 的量子電路模擬（QCS），使用數學優化來壓縮量子運算，結合高效的位元運算以進一步降低計算複雜性，並利用現代多核心處理器的不同級別的並行性，研究案例顯示解決最大割問題的有效性。 實驗結果顯示，在運行 16 核心、32 執行緒 AMD Ryzen 9 5950X 處理器的虛擬量子電腦上，效能得到了顯著提升，比最先進的模擬器 QuEST 提高了 17 倍。 - 與計畫未來研發方向的關聯性：
我們相信這項工作為加速各種 QAOA 應用開闢了新的可能性。
上圖呈現模擬QAOA電路的加速效果，我們提出的最佳化技術對模擬性能有顯著影響。尤其是採用AVX向量指令集，可一次處理 4 個 64 位元整數提供近四倍的加速效果。
出處：Yu-Cheng Lin, Chuan-Chi wang, Chia-Heng Tu and Shih-Hao Hung. TOWARDS OPTIMIZATIONS OF QUANTUMCIRCUIT SIMULATION FOR SOLVING MAX-CUT PROBLEMS WITH QAOA. ACM Symposium on Applied Computing 2024, Avila, Spain, April 8-12.
可逆邏輯電路布林匹配驗證技術
- 此技術欲解決問題：
可逆邏輯電路的布林匹配問題。 - 重要性/突破性：
我們針對各種布林匹配的等同條件提出演算法與分析對應之複雜度。值得一提的是，在兩種特定的布林匹配等同條件下，我們開發了多項式時間的量子演算法，對比於其相應的古典演算法具有指數倍的加速。現今僅有少數幾個已知有指數加速能力的量子演算法，而我們的研究創造了新的量子演算法案例。 - 與計畫未來研發方向的關聯性：
可逆邏輯電路的布林匹配能運用於量子oracle電路的合成與優化。對於使用到量子oracle電路的量子演算法（如Grover與Simon演算法等），其編譯工作能受益於布林匹配效能的提升。
可逆邏輯電路布林匹配問題的包含關係。其中字母 “N” 代表negation equivalence、“P” 代表 permutation equivalence、“I” 代表 identity、符號“-” 為分隔用，其左側指輸入端，其右側指輸出端。方框表示在該等同條件下無多項式時間解，圓框表示在該等同條件下有多項式時間解。藍框表示在該等同條件下，若反電路未給定，存在多項式時間的量子演算法但無多項式時間的古典演算法。虛線框表示，若反電路未給定，在該等同條件下的量子計算複雜度仍未知。
出處：Tian-Fu Chen, Jie-Hong R. Jiang. Boolean Matching of Reversible Circuits: Algorithm and Complexity. In Design Automation Conference (DAC), 2024.
Qsyn：面對 NISQ 及其後時代的開發人員友善之量子電路合成工具框架
- 此技術欲解決問題：
Qsyn 是一個供開發人員研發、測試、實驗量子電路合成技術的開源框架 - 重要性/突破性：
它比其他現代框架更友善的原因為：(1) 豐富的指令列介面，(2) 不同抽象層級之資料存取，(3) 現代軟工的技術和環境。 - 與計畫未來研發方向的關聯性：
Qsyn 不但讓開發者可以更快、更好地實現演算法與實驗，其內建的演算法也比現今其他的框架有更好的效能。
Qsyn 提供完整量子電路合成工具開發框架，包含了高階電路、邏輯電路、實體電路、小角度電路逼近合成等。
出處：M-T Lau, C-Y Cheng, C-H Lu, C-H Chuang, Y-H Kuo, H-C Yang, C-T Kuo, H-Y Chen, C-Y Tung, C-E Tsai, G-H Chen, L-K Lin, C-H Wang, T-H Wang, and, C-Y Ric Huang, "Qsyn: A Developer-Friendly Quantum Circuit Synthesis Framework for NISQ Era and Beyond", submitted to IEEE International Conference on Quantum Computing and Engineering (QCE), 2024. (https://arxiv.org/abs/2405.07197)