Complementos de síntesis

qiskit.transpiler.passes.synthesis.plugin

Este módulo define las interfaces de plugin para los pases del transpilador de síntesis en Qiskit. Proporcionan un punto de enganche para que los paquetes python externos implementen sus propias técnicas de síntesis y las expongan sin problemas como opciones opcionales a los usuarios cuando ejecutan transpile().

Las interfaces de plugin se construyen utilizando puntos de entrada setuptools que permiten a los paquetes externos a qiskit anunciar que incluyen un plugin de síntesis.

Consulte qiskit.transpiler.preset_passmanagers.plugin para más detalles sobre cómo escribir plugins para las etapas del transpilador.

API del complemento Synthesis

API del complemento de síntesis unitaria

API del complemento de síntesis de alto nivel

Escribir complementos

Complementos de síntesis unitaria

Para escribir un plugin de síntesis unitaria hay 2 pasos principales. El primer paso es crear una subclase de la clase abstracta plugin: UnitarySynthesisPlugin. La clase plugin define la interfaz y el contrato para los plugins de síntesis unitaria. El método principal es run() que toma un único argumento posicional, una matriz unitaria como un array numpy, y se espera que devuelva un objeto DAGCircuit que representa el circuito sintetizado a partir de esa matriz unitaria. Entonces para informar al transpilador Qiskit sobre qué información es necesaria para el pase hay varios métodos de propiedades requeridas que necesitan ser implementados como supports_basis_gates y supports_coupling_map dependiendo de si el plugin soporta y/o requiere esa entrada para realizar la síntesis. Para más información, consulte la UnitarySynthesisPlugin para todos los campos obligatorios. Una clase de plugin de ejemplo sería algo así

from qiskit.transpiler.passes.synthesis import plugin
from qiskit_plugin_pkg.synthesis import generate_dag_circuit_from_matrix


class SpecialUnitarySynthesis(plugin.UnitarySynthesisPlugin):
    @property
    def supports_basis_gates(self):
        return True

    @property
    def supports_coupling_map(self):
        return False

    @property
    def supports_natural_direction(self):
        return False

    @property
    def supports_pulse_optimize(self):
        return False

    @property
    def supports_gate_lengths(self):
        return False

    @property
    def supports_gate_errors(self):
        return False

    @property
    def supports_gate_lengths_by_qubit(self):
        return False

    @property
    def supports_gate_errors_by_qubit(self):
        return False

    @property
    def min_qubits(self):
        return None

    @property
    def max_qubits(self):
        return None

    @property
    def supported_bases(self):
        return None

    def run(self, unitary, **options):
        basis_gates = options['basis_gates']
        dag_circuit = generate_dag_circuit_from_matrix(unitary, basis_gates)
        return dag_circuit

Si por alguna razón las entradas disponibles para el método run() son insuficientes, por favor, abra un problema y podemos discutir la ampliación de la interfaz del plugin con nuevas entradas opt-in que se pueden añadir de una manera compatible con versiones anteriores para futuras versiones. Tenga en cuenta, sin embargo, que la interfaz de este plugin se considera estable y se garantiza que no cambiará de forma brusca. Si es necesario realizar cambios (por ejemplo, para ampliar las opciones de entrada opcionales disponibles), se hará de forma que no sea necesario modificar los plugins existentes.

El segundo paso es exponer el UnitarySynthesisPlugin como punto de entrada de setuptools en los metadatos del paquete. Para ello, basta con añadir una tabla entry-points en pyproject.toml para el paquete de complementos con los puntos de entrada necesarios en el espacio de nombres qiskit.unitary_synthesis . Por ejemplo:

[project.entry-points."qiskit.unitary_synthesis"]
"special" = "qiskit_plugin_pkg.module.plugin:SpecialUnitarySynthesis"

No hay límite en el número de plugins que puede incluir un mismo paquete, siempre que cada plugin tenga un nombre único. Así, un solo paquete puede exponer varios plugins si es necesario. El nombre default es utilizado por el propio Qiskit y no puede ser utilizado en un plugin.

Configuración del complemento de síntesis unitaria

Para algunos plugins de síntesis unitaria que exponen múltiples opciones y sintonizables, la interfaz del plugin tiene una opción para que los usuarios proporcionen un diccionario de configuración de forma libre. Esto se pasará al método run() como el kwarg options . Si su plugin tiene estas opciones de configuración, debe documentar claramente cómo un usuario debe especificar estas opciones de configuración y cómo se utilizan, ya que es un campo de formulario libre.

Complementos de síntesis de alto nivel

Escribir un plugin de síntesis de alto nivel es conceptualmente similar a escribir un plugin de síntesis unitaria. El primer paso es crear una subclase de la clase abstracta plugin HighLevelSynthesisPluginque define la interfaz y el contrato para los plugins de síntesis de alto nivel. El método principal es run(). El argumento posicional high_level_object especifica el "objeto de nivel superior" que se va a sintetizar, que es cualquier objeto de tipo Operation (incluyendo, por ejemplo LinearFunction o Clifford). El argumento de palabra clave target especifica el backend de destino, permitiendo que el plugin acceda a toda la información específica del destino, como el mapa de acoplamiento, el conjunto de puertas soportado, etc. El argumento de palabra clave coupling_map sólo especifica el mapa de acoplamiento, y sólo se utiliza cuando no se especifica target . El argumento de palabra clave qubits especifica la lista de qubits sobre la que se define el objeto de nivel superior, en caso de que la síntesis se realice sobre el circuito físico. El valor de None indica que aún no se ha elegido la disposición y que aún no se han determinado los qubits físicos del mapa de destino o de acoplamiento sobre los que opera esta operación. Además, se pueden especificar opciones y ajustes específicos de los plugins a través de options, que es un diccionario de configuración de forma libre. Si su plugin tiene estas opciones de configuración, debe documentar claramente cómo un usuario debe especificar estas opciones de configuración y cómo se utilizan, ya que es un campo de formulario libre. El método run() debe devolver un objeto QuantumCircuit que representa el circuito sintetizado a partir de ese objeto de nivel superior. También se permite devolver None que representa que el método de síntesis es incapaz de sintetizar el objeto de nivel superior dado. La síntesis real de objetos de nivel superior se realiza mediante HighLevelSynthesis paso del transpilador. Para más información, consulte la HighLevelSynthesisPlugin para todos los campos obligatorios. Una clase de plugin de ejemplo sería algo así

from qiskit.transpiler.passes.synthesis.plugin import HighLevelSynthesisPlugin
from qiskit.synthesis.clifford import synth_clifford_bm


class SpecialSynthesisClifford(HighLevelSynthesisPlugin):

def run(self, high_level_object, coupling_map=None, target=None, qubits=None, **options):
    if higher_level_object.num_qubits <= 3:
        return synth_clifford_bm(high_level_object)
    else:
        return None

El ejemplo anterior crea un plugin para sintetizar objetos de tipo Clifford que tengan como máximo 3 qubits, utilizando el método synth_clifford_bm.

El segundo paso es exponer el HighLevelSynthesisPlugin como punto de entrada de setuptools en los metadatos del paquete. Esto se hace añadiendo una tabla entry-points en pyproject.toml para el paquete plugin con los puntos de entrada necesarios bajo el espacio de nombres qiskit.synthesis . Por ejemplo:

[project.entry-points."qiskit.synthesis"]
"clifford.special" = "qiskit_plugin_pkg.module.plugin:SpecialSynthesisClifford"

La dirección name consta de dos partes separadas por un punto ".": el nombre del tipo de Operation al que se aplica el plugin de síntesis (clifford), y el nombre del plugin (special). No hay límite en el número de plugins que puede incluir un mismo paquete, siempre que cada plugin tenga un nombre único.

Uso de complementos

Complementos de síntesis unitaria

Para utilizar un plugin basta con instalar el paquete que incluye un plugin de síntesis. Entonces Qiskit descubrirá automáticamente los plugins instalados y los expondrá como opciones válidas para los constructores transpile() kwargs y constructores pass. Si hay algún plugin instalado que no se pueda cargar/importar, se registrará en Python logging.

Para obtener la lista de plugins de síntesis unitaria instalados puede utilizar la función qiskit.transpiler.passes.synthesis.plugin.unitary_synthesis_plugin_names() función

Complementos de síntesis de alto nivel

Para utilizar un plugin de síntesis de alto nivel, primero hay que instanciar un archivo HLSConfig para almacenar los nombres de los plugins que se utilizarán para varios objetos de alto nivel. Por ejemplo:

HLSConfig(permutation=["acg"], clifford=["layers"], linear_function=["pmh"])

crea una configuración de síntesis de alto nivel que utiliza el plugin acg para sintetizar PermutationGate el plugin layers para sintetizar objetos Clifford y el plugin pmh para sintetizar objetos LinearFunction objetos. Los argumentos de las palabras clave son los Operation.name campos de los objetos correspondientes. Por ejemplo, todas las Clifford tienen el símbolo name clifford por lo que se utiliza como argumento de la palabra clave. Puede especificar aquí cualquier argumento de palabra clave que haya instalado plugins para manejar, incluyendo objetos de usuario personalizados si tiene plugins instalados para ellos. Consulte HLSConfig para más detalles sobre formatos alternativos para configurar los plugins dentro de cada argumento.

Para cada objeto de alto nivel, la lista de plugins dados se prueba en secuencia hasta que uno de ellos tiene éxito (en el ejemplo anterior, cada lista sólo contiene un único plugin). Además de especificar un plugin por su nombre, puede pasar una tupla (name, options) , donde el segundo elemento de la tupla es un diccionario que contiene opciones para el plugin.

Una vez creado, se pasa este objeto HLSConfig al argumento hls_config de transpile() o generate_preset_pass_manager() que utilizará los plugins especificados como parte del flujo de trabajo de compilación más amplio.

Para obtener una lista de los plugins de síntesis de alto nivel instalados para cualquier Operation.namepuede utilizar la función high_level_synthesis_plugin_names() pasando como argumento el name deseado:

high_level_synthesis_plugin_names("clifford")

devolverá una lista de todos los plugins de síntesis Clifford instalados.

Plugins disponibles

A continuación se muestran las clases de plugins de síntesis disponibles en Qiskit. Estas clases no deben utilizarse directamente, sino a través de la interfaz de complementos documentada anteriormente. Las clases se enumeran aquí para facilitar la búsqueda de la documentación de cada uno de los plugins incluidos y para facilitar la comparación entre diferentes métodos de síntesis para un objeto determinado.

Complementos de síntesis unitaria

Complemento de síntesis AQC

Complemento de síntesis Solovay-Kitaev

Complemento de síntesis Ross-Selinger

Complemento Clifford Unitary Synthesis

Complemento de síntesis unitaria predeterminado

El complemento de síntesis unitaria predeterminado define el algoritmo predeterminado utilizado por la pasada UnitarySynthesis del transpilador para sintetizar puertas unitarias en el circuito. Su comportamiento depende del número de qubits en la unidad objetivo y la base objetivo.

Conjuntos de bases continuas

Cuando la base objetivo es continua (es decir, no Clifford+T), el complemento utiliza las siguientes descomposiciones:

• Puertas de 1 qubit: descomposiciones de ángulos de Euler (véase OneQubitEulerDecomposer).
• Puertas de 2 qubits: descomposiciones KAK/Cartan (véase TwoQubitBasisDecomposer, TwoQubitControlledUDecomposer, XXDecomposer).
• Puertas de 3+ qubits: Descomposición cuántica de Shannon, véase qs_decomposition().

Para puertas de 1 y 2 qubits, el complemento utiliza la información de error básico del objetivo para seleccionar la descomposición que maximiza la fidelidad esperada.

Conjuntos de bases Clifford+T

Cuando la base objetivo es Clifford+T, el complemento utiliza el algoritmo de Solovay-Kitaev (véase SolovayKitaevDecomposition) para aproximar unitarios de 1 qubit. Los ajustes utilizados para crear aproximaciones básicas son basis_gates=["h", "t", "tdg"], depth=12 y recursion_degree=5, y se eligieron empíricamente para equilibrar la calidad de la aproximación con el coste computacional. Para utilizar Solovay-Kitaev con parámetros personalizados, o para evitar volver a calcular aproximaciones para múltiples circuitos, puede invocar el SolovayKitaevSynthesis complemento de síntesis unitaria en lugar de este complemento predeterminado.

En la actualidad, Qiskit no incluye algoritmos para aproximar unidades de 2+ qubits directamente en el conjunto de bases Clifford+T. Por lo tanto, el gestor de pases preestablecido primero descompone dichas puertas en ["cx", "u"] base y, a continuación, aplica Solovay-Kitaev a las puertas unitarias de 1 qubit resultantes.

Síntesis de alto nivel

Los plugins de síntesis de alto nivel que están directamente disponibles en Qiskit incluyen plugins para sintetizar Clifford objetos, LinearFunction objetos, y PermutationGate objetos. Algunos de estos plugins apuntan implícitamente a la conectividad omnicanal. No se trata de una limitación práctica, ya que HighLevelSynthesis normalmente se ejecuta antes del diseño y el enrutamiento, lo que garantizará que el circuito final se adhiere a la conectividad del dispositivo mediante la inserción de puertas SWAP adicionales. Un buen ejemplo es el complemento de síntesis de permutaciones ACGSynthesisPermutation , que puede sintetizar cualquier permutación con un máximo de 2 capas de puertas SWAP. Por otra parte, algunos plugins apuntan implícitamente a la conectividad lineal. Típicamente, los circuitos sintetizadores tienen mayor profundidad y número de puertas, sin embargo no se insertarían puertas SWAP adicionales si en el siguiente pase de diseño se eligiera una línea consecutiva de qubits dentro de la topología del dispositivo. Un buen ejemplo de ello es el complemento de síntesis de permutaciones KMSSynthesisPermutation , que puede sintetizar cualquier permutación de n qubits en profundidad n. Normalmente, es difícil saber de antemano cuál de los dos enfoques: sintetizar circuitos para conectividad todo a todo e insertar puertas SWAP frente a sintetizar circuitos para conectividad lineal e insertar menos o ninguna puerta SWAP conduce a un circuito final mejor, por lo que probablemente tenga sentido probar ambos y ver cuál da mejores resultados. Por último, algunos plugins pueden tener como objetivo una determinada conectividad y, por tanto, deben ejecutarse después de establecer la distribución. En este caso, el circuito sintetizado se ajusta automáticamente a la topología del dispositivo. Un buen ejemplo de ello es el complemento de síntesis de permutaciones TokenSwapperSynthesisPermutation , capaz de sintetizar permutaciones arbitrarias con respecto a mapas de acoplamiento arbitrarios. Para más detalles, consulte la descripción de cada plugin.

Para cada objeto de alto nivel damos una tabla que enumera todos sus plugins disponibles directamente en Qiskit. Incluimos el nombre del plugin, la clase del plugin, el mapa de conectividad objetivo y, opcionalmente, información adicional. Recordemos que los plugins deben ser utilizados a través de la descrita anteriormente HLSConfigpor ejemplo:

HLSConfig(permutation=["kms"])

crea una configuración de síntesis de alto nivel que utiliza el plugin kms para sintetizar PermutationGate es decir, los que tienen name = "permutation". En este caso, el nombre del plugin es "kms", la clase del plugin es KMSSynthesisPermutation. Este algoritmo de síntesis en particular creó un circuito que se adhiere a la conectividad lineal de vecino más cercano.

Complementos de síntesis de alto nivel

Síntesis de Clifford

Síntesis de funciones lineales

Síntesis por permutación

Síntesis QFT

Síntesis MCX

La siguiente tabla enumera los plugins de síntesis disponibles para una MCXGate con k qubits de control. Si el número disponible de qubits auxiliares limpios/sucios no es suficiente, el método de síntesis correspondiente devolverá Ninguno.

Síntesis MCMT

Comparadores de enteros

Sumas

Síntesis de la evolución de Pauli

Síntesis modular de sumadores

Síntesis del sumador de medio

Síntesis de sumador completo

Síntesis multiplicadora