Service-Based Translation of Quantum Circuits

Abstract

Recently, quantum advantage has started to attract attention to the field of quantum computing. While current devices are still noisy and error-prone, numerous vendors have already established themselves, each offering their various approaches with different characteristics and optimizations. In the era of Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) computers, quantum circuits must be compiled and executed as efficiently as possible, to best utilize the limited quantum resources available. Therefore, selecting a fitting vendor is a major part of programming for quantum devices. However, different vendors offer different, often incompatible frameworks. Compiled circuits are also highly complex, making manual comparison non-trivial. The NISQ Analyzer has been presented as a solution to this issue. It automates the compilation process of a circuit over a subset of usually incompatible providers. For this purpose it utilizes translation, allowing it to access multiple frameworks even with a circuit only provided in one language. In this thesis, we extend upon this functionality. We make new frameworks available for translation, employing existing translation functionality where possible. For proof of concept, we also implement compilation for a new vendor using the NISQ Analyzer, utilizing our translations. Additionally, we include a detailed evaluation of the reliability of translation frameworks, as well as a case study showing how our extensions can be put to use.

In letzter Zeit hat das Versprechen des Quantenvorteils Aufmerksamkeit auf den Bereich der Quanteninformatik gezogen. Während die derzeitigen Geräte noch verrauscht und fehleranfällig sind, gibt es bereits eine große Anzahl von Anbietern, die ihre verschiedenen Ansätze anbieten. Dieseweisen alle unterschiedliche Merkmale und Optimierungen auf. In der Ära der NISQ-Computer ist es wichtig, dass die Quantenschaltkreise so effizient wie möglich kompiliert und ausgeführt werden, um die limitierten Quantenresourcen bestmöglich zu nutzen. Daher ist die Auswahl eines geeigneten Anbieters ein wichtiger Bestandteil der Programmierung für Quantencomputer. Die verschiedenen Anbieter bieten jedoch unterschiedliche, oft inkompatible Frameworks an. Außerdem sind kompilierte Schaltungen hoch komplex, was einen manuellen Vergleich schwierig macht. Der NISQ Analyzer wurde als Lösung für dieses Problem vorgestellt. Er automatisiert den Prozess der Kompilierung eines Schaltkreises über eine Teilmenge von normalerweise inkompatiblen Anbietern. Zu diesem Zweck nutzt er Übersetzung, welche es ihm ermöglicht, auf mehrere Frameworks zuzugreifen, selbst wenn ein Schaltkreis nur in einer Sprache vorliegt. In dieser Arbeit erweitern wir diese Funktionalität, indem wir neue Frameworks für die Übersetzung verfügbar machen. Hierbei nutzen wir, wenn vorhanden, bestehende Übersetzungsfunktionen. Um zu zeigen, wie unsere Übersetzungen weiterführend eingebunden werden können, implementieren wir auch das Kompilieren für einen der neuen Anbieter mit dem NISQ Analyzer. Außerdem führen wir eine detaillierte Auswertung der Zuverlässigkeit der Übersetzungsframeworks durch, sowie eine Fallstudie, die zeigt, wie unsere Erweiterungen eingesetzt werden können.