初识量子编译器

量子计算机在某些问题上处理性能要比经典计算机好，但是并非所有的问题都适合用量子计算机来解决。到底量子计算机能比经典计算机快多少很大程度上依赖于问题本身。

量子比特在之前的文章中已经有过介绍了。我们可以用一个量子比特来描述0和1的叠加态。量子算法本质上是将一些量子操作应用在量子比特上。量子操作与经典计算机中的指令特别类似。一个由具体的量子门实现的量子算法我们就称之为“量子线路”（Quantum Circuit）。

目前，量子算法的设计可以不考虑具体量子硬件，而是在理想情况下的硬件下进行设计实现即可。因此，一个量子程序可以运行在不同的量子计算机上，同时使得量子计算程序开发人员只需要关注算法设计本身，而不用考虑底层硬件细节。

因此，量子计算程序需要最终被转化为量子计算机能够执行的一种表示方法。而这种方法就是“量子编译”（Quantum Circuit Compilation）。下图给出了量子编译的过程。量子编译器需要对量子程序进行一系列变换以满足量子处理器的物理约束。这个过程事实上与经典计算机中的编译过程极为相似。

受到物理环境的影响，量子比特的状态会在很短的时间发生变化。这种变化称为“消相干”（decoherence）。正是由于消相干的存在，执行时间越短的量子线路越好。例如，IBM的20位量子比特商用量子计算机中的消相干时间达到了100毫秒。

但是，如果一个编译器能够将一个量子程序的执行时间编程最短，那么肯定是要在别的方面付出代价。例如，要想实现线路的最优化（量子线路执行时间最短），这个问题本身可能就需要耗费非常多的时间。

IBM在2018年发表的“On the Complexity of Quantum Circuit Compilation”中，指出来对于某些特定类型的线路，要实现最优化的编译本身就是一个NP完全问题。其实，认识到这一点已经是量子编译方面的研究取得了巨大的进展。接下来的问题就是要研究如何在物理约束的条件下寻找较优的量子线路以确保可以在给定的时间阈值之内完成运算过程。

后面Vincent会结合具体的量子编译器实操继续为大家分享有关量子编译方面的知识。

参考：

https://www.ibm.com/blogs/research/2018/08/understanding-complexity-quantum-circuit-compilation/