Development of a vendor independent quantum computing transpiler

Abstract

In 2019 a quantum computer took 200 seconds for a task for which a state-of-the-art classical supercomputer would need roughly 10,000 years. Quantum supremacy was shown and the development of quantum technology proceeds quickly. However, several aspects limit the implementation and execution of quantum circuits. The vendors of quantum computers provide their own proprietary software development kit (SDK) to execute quantum circuits on their quantum processing units (QPUs). Furthermore, the computers differ regarding various properties like the native gate set and the qubit connectivity. Therefore, quantum circuits cannot be executed on arbitrary QPUs, but there exists a tight coupling between a QPU and a quantum algorithm implementation. To decouple the development of a circuit from the QPU, this thesis proposes a quantum circuit analysis and transpilation framework that integrates quantum SDKs and enables the comparison and analysis of quantum circuits, as well as the export of executable circuits in the respective assembly language of QPUs from different vendors. Currently existing QPUs, also called Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) machines, have a very limited number of qubits and are prone to failure. Thus, the integration of different QPUs enhances the possibilities of quantum circuit developers and avoids the SDK lock-in. Additionally, a graphical user interface is developed to support the user in the whole process of importing, visualizing, editing, and simulating a quantum circuit, as well as, choosing a suitable QPU to execute the circuit.

Im Jahr 2019 hat ein Quantencomputer eine Aufgabe in 200 Sekunden gelöst, für welche klassische Supercomputer 10.000 Jahre benötigen. Dadurch wurde Quantenüberlegenheit gezeigt und die Entwicklung von Quantentechnologie schreitet weiter schnell voran. Es gibt jedoch einige Aspekte, welche die Implementierung und Ausführung von Quantencircuits limitieren. Die Hersteller von Quantencomputers bieten deren proprietäre Software Development Kits (SDKs), um Quantencircuits auf deren Quantum Processing Units (QPUs) auszuführen. Außerdem unterscheiden sich die QPUs in Bezug auf verschiedene Eigenschaften wie die Menge an nativen Gattern und der physikalischen Verbindung der Qubits. Eine Folge hieraus ist, dass Quantencircuits nicht auf beliebigen QPUs ausführbar sind, sondern an den Hersteller einer QPU gekoppelt sind und nur auf dessen QPUs ausführbar sind. Um die Entwicklung eines Quantencircuits von der QPU, welche zur Ausführung benutzt werden soll, zu entkoppeln, bietet diese Arbeit ein Framework zur Analyse und zum Transpilieren von Quantencircuits. Dieses integriert verschiedene SDKs und ermöglicht den Vergleich und die Analyse von Quantencircuits als auch den Export von Quantencircuits in der Assemblersprache von QPUs diverser Hersteller. Aktuell existierende QPUs, auch Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) Maschinen genannt, besitzen eine limiterte Anzahl an Qubits und sind sehr fehleranfällig. Die Integrierung von QPUs verschiedener Hersteller erweitert die Möglichkeiten von Entwicklern von Quantencircuits und verhindert einen SDK lock-in. Ein graphisches Nutzerinterface unterstützt den Nutzer im gesamten Prozess des Imports, der Visualisierung, der Bearbeitung und der Simulierung von Quantencircuits als auch der Wahl einer passenden QPU zur Ausführung des Circuits.