Plugin di sintesi

qiskit.transpiler.passes.synthesis.plugin

Questo modulo definisce le interfacce dei plugin per i passaggi del transpiler di sintesi in Qiskit. Questi forniscono un punto di aggancio per i pacchetti python esterni per implementare le proprie tecniche di sintesi e per esporle senza problemi come opzioni opt-in agli utenti quando si esegue transpile().

Le interfacce dei plugin sono costruite utilizzando i punti di ingresso di setuptools che consentono ai pacchetti esterni a qiskit di pubblicizzare l'inclusione di un plugin di sintesi.

Per i dettagli su come scrivere plugin per gli stadi del transpiler, vedere qiskit.transpiler.preset_passmanagers.plugin per i dettagli su come scrivere plugin per gli stadi del transpiler.

API del plugin Synthesis

API plugin di sintesi unitaria

API plugin per sintesi ad alto livello

Scrittura dei plugin

Plugin di sintesi unitaria

Per scrivere un plugin di sintesi unitaria occorre seguire due passaggi principali. Il primo passo consiste nel creare una sottoclasse della classe astratta del plugin: UnitarySynthesisPlugin. La classe del plugin definisce l'interfaccia e il contratto per i plugin di sintesi unitaria. Il metodo principale è run() che accetta un unico argomento posizionale, una matrice unitaria sotto forma di array NumPy, e dovrebbe restituire un DAGCircuit oggetto che rappresenta il circuito sintetizzato a partire da tale matrice unitaria. Per comunicare al transpiler di Qiskit quali informazioni sono necessarie per il passaggio, occorre implementare diversi metodi di proprietà obbligatori, quali supports_basis_gates e supports_coupling_map , a seconda che il plugin supporti e/o richieda tale input per eseguire la sintesi. Per i dettagli completi, consultare la UnitarySynthesisPlugin documentazione relativa a tutti i campi obbligatori. Una classe di plugin di esempio potrebbe essere simile alla seguente:

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

Se, per qualche motivo, i parametri disponibili per il run() metodo non fossero sufficienti, ti preghiamo di aprire un ticket, così potremo discutere dell'opportunità di ampliare l'interfaccia del plugin con nuovi parametri opzionali che possano essere aggiunti in modo retrocompatibile nelle versioni future. Si noti tuttavia che l'interfaccia di questo plugin è considerata stabile e garantita come non soggetta a modifiche che ne compromettano la compatibilità. Se dovessero rendersi necessarie delle modifiche (ad esempio per ampliare le opzioni di input opzionali disponibili), queste saranno apportate in modo tale da non richiedere modifiche ai plugin esistenti.

Il secondo passo consiste nell'indicare il UnitarySynthesisPlugin come punto di accesso di setuptools nei metadati del pacchetto. Per farlo basta aggiungere una entry-points tabella nel pyproject.toml pacchetto del plugin con i punti di ingresso necessari all'interno dello qiskit.unitary_synthesis spazio dei nomi. Ad esempio:

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

Non c'è limite al numero di plugin che un singolo pacchetto può includere, purché ogni plugin abbia un nome unico. Quindi un singolo pacchetto può esporre più plugin, se necessario. Il nome default è utilizzato da Qiskit stesso e non può essere utilizzato in un plugin.

Configurazione del plugin di sintesi unitaria

Per alcuni plugin di sintesi unitaria che espongono più opzioni e regolatori, l'interfaccia del plugin ha un'opzione che consente agli utenti di fornire un dizionario di configurazione libero. Questo verrà passato al metodo run() come kwarg di options . Se il vostro plugin ha queste opzioni di configurazione, dovreste documentare chiaramente come l'utente deve specificare queste opzioni di configurazione e come vengono utilizzate, dato che si tratta di un campo a forma libera.

Plugin di sintesi di alto livello

La scrittura di un plugin di sintesi di alto livello è concettualmente simile alla scrittura di un plugin di sintesi unitaria. Il primo passo consiste nel creare una sottoclasse della classe astratta del plugin: HighLevelSynthesisPlugin, che definisce l'interfaccia e il contratto per i plugin di sintesi di alto livello. Il metodo principale è run(). L'argomento high_level_object posizionale specifica l'«oggetto di livello superiore» da sintetizzare, ovvero qualsiasi oggetto di tipo Operation (compresi, ad esempio, LinearFunction o Clifford). L'argomento target "keyword" specifica il backend di destinazione, consentendo al plugin di accedere a tutte le informazioni specifiche di tale backend, quali la mappa di accoppiamento, l'insieme di gate supportati e così via. L'argomento coupling_map chiave specifica solo la mappa di accoppiamento e viene utilizzato solo quando target non viene specificato. L'argomento qubits chiave specifica l'elenco dei qubit su cui è definito l'oggetto di livello superiore, nel caso in cui la sintesi venga eseguita sul circuito fisico. Il valore di None indica che il layout non è stato ancora scelto e che i qubit fisici nella mappa di destinazione o di accoppiamento su cui agisce questa operazione non sono stati ancora determinati. Inoltre, è possibile specificare opzioni e parametri di regolazione specifici del plugin tramite options, che è un dizionario di configurazione in formato libero. Se il tuo plugin dispone di queste opzioni di configurazione, dovresti documentare chiaramente come l'utente debba specificarle e come vengano utilizzate, dato che si tratta di un campo libero. Il metodo run() dovrebbe restituire un QuantumCircuit oggetto che rappresenta il circuito sintetizzato a partire da quell'oggetto di livello superiore. È inoltre consentito restituire None un valore che indichi che il metodo di sintesi non è in grado di sintetizzare l'oggetto di livello superiore specificato. La sintesi vera e propria degli oggetti di livello superiore viene eseguita dal HighLevelSynthesis passaggio del transpiler. Per i dettagli completi, consultare la HighLevelSynthesisPlugin documentazione relativa a tutti i campi obbligatori. Una classe di plugin di esempio potrebbe essere simile alla seguente:

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

L'esempio sopra riportato crea un plugin per sintetizzare oggetti di tipo Clifford che hanno al massimo 3 qubit, utilizzando il metodo synth_clifford_bm.

Il secondo passo consiste nell'indicare il HighLevelSynthesisPlugin come punto di accesso di setuptools nei metadati del pacchetto. Ciò avviene aggiungendo una entry-points tabella in pyproject.toml per il pacchetto del plugin con i punti di ingresso necessari all'interno dello qiskit.synthesis spazio dei nomi. Ad esempio:

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

Il name è composto da due parti separate da un punto “.”: il nome del tipo a Operation cui si applica il plugin di sintesi (clifford), e il nome del plugin stesso (special). Non vi è alcun limite al numero di plugin che un singolo pacchetto può includere, purché ogni plugin abbia un nome univoco.

Utilizzo dei plugin

Plugin di sintesi unitaria

Per utilizzare un plugin è sufficiente installare il pacchetto che include il plugin di sintesi. Quindi Qiskit scoprirà automaticamente i plugin installati e li esporrà come opzioni valide per gli appropriati costruttori transpile() kwarg e ai costruttori di passaggi. Se ci sono plugin installati che non possono essere caricati/importati, questo verrà registrato in Python.

Per ottenere l'elenco dei plugin di sintesi unitaria installati, è possibile utilizzare la qiskit.transpiler.passes.synthesis.plugin.unitary_synthesis_plugin_names() funzione.

Plugin di sintesi di alto livello

Per utilizzare un plugin di sintesi di alto livello, occorre innanzitutto istanziare un HLSConfig in cui memorizzare i nomi dei plugin da utilizzare per i vari oggetti di alto livello. Ad esempio:

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

crea una configurazione di sintesi di alto livello che utilizza il acg plugin per la sintesi PermutationGate di oggetti, il layers plugin per la sintesi Clifford di oggetti e il pmh plugin per la sintesi LinearFunction di oggetti. Gli argomenti chiave sono i Operation.name campi degli oggetti in questione. Ad esempio, tutte Clifford le operazioni hanno il nameclifford , quindi questo viene utilizzato come argomento chiave. Qui puoi specificare qualsiasi argomento chiave gestito dai plugin che hai installato, compresi gli oggetti utente personalizzati, se hai installato plugin appositi per essi. Per ulteriori dettagli sui formati alternativi per la configurazione dei plugin all'interno di ciascun argomento, consultare HLSConfig [...].

Per ogni oggetto di alto livello, l'elenco dei plugin dati viene provato in sequenza, finché uno di essi non ha successo (nell'esempio precedente, ogni elenco contiene solo un singolo plugin). Oltre a specificare un plugin con il suo nome, è possibile passare una tupla (name, options) , dove il secondo elemento della tupla è un dizionario contenente le opzioni del plugin.

Una volta creato, questo HLSConfig oggetto va passato come argomento hls_config a transpile() o generate_preset_pass_manager() , che utilizzeranno i plugin specificati nell'ambito del flusso di lavoro di compilazione più ampio.

Operation.namePer ottenere un elenco dei plugin di sintesi di alto livello installati per un dato sistema, è possibile utilizzare la high_level_synthesis_plugin_names() funzione, passando come argomento il sistema desiderato name :

high_level_synthesis_plugin_names("clifford")

restituirà un elenco di tutti i plugin di sintesi Clifford installati.

Plugin disponibili

Di seguito sono riportate le classi di plugin di sintesi disponibili in Qiskit. Queste classi non devono essere usate direttamente, ma devono essere utilizzate attraverso l'interfaccia del plugin documentata sopra. Le classi sono elencate qui per facilitare la ricerca della documentazione di ciascun plugin incluso e per facilitare il confronto tra i diversi metodi di sintesi per un dato oggetto.

Plugin di sintesi unitaria

Plugin di sintesi AQC

Plugin di sintesi Solovay-Kitaev

Plugin di sintesi Ross-Selinger

Plugin Clifford Unitary Synthesis

Plugin di sintesi unitaria predefinito

Il plugin di sintesi unitaria predefinito definisce l'algoritmo predefinito utilizzato dal UnitarySynthesis passaggio del transpiler per sintetizzare le porte unitarie nel circuito. Il suo comportamento dipende dal numero di qubit nell'operatore unitario di destinazione e dalla base di destinazione.

Insiemi di base continui

Quando la base target è continua (cioè non Clifford+T), il plugin utilizza le seguenti decomposizioni:

• Gate a 1 qubit: scomposezioni in angoli di Eulero (vedi OneQubitEulerDecomposer).
• Gate a 2 qubit: decomposizioni di KAK/Cartan (vedi TwoQubitBasisDecomposer, TwoQubitControlledUDecomposer, XXDecomposer).
• Gate a 3+ qubit: decomposizione quantistica di Shannon, vedi qs_decomposition().

Per i gate a 1 e 2 qubit, il plugin utilizza le informazioni di errore di base dal target per selezionare la decomposizione che massimizza la fedeltà prevista.

Insiemi di basi Clifford+T

Quando la base di destinazione è Clifford+, il plugin utilizza l'algoritmo di Solovay-Kitaev (vedi SolovayKitaevDecomposition) per approssimare le operazioni unitarie su 1 qubit. I parametri utilizzati per creare approssimazioni di base sono basis_gates=["h", "t", "tdg"], depth=12 e recursion_degree=5, e sono stati scelti empiricamente per trovare un equilibrio tra la qualità dell'approssimazione e il costo computazionale. Per utilizzare Solovay-Kitaev con parametri personalizzati, oppure per evitare di ricalcolare le approssimazioni per più circuiti, è possibile utilizzare SolovayKitaevSynthesis il plugin di sintesi unitaria al posto di questo plugin predefinito.

Al momento, Qiskit non include algoritmi per approssimare direttamente le unitarie a 2+ qubit nel set di basi Clifford+T. Pertanto, il gestore dei passaggi preimpostati scompone innanzitutto tali porte in ["cx", "u"] base, quindi applica Solovay-Kitaev alle porte unitarie a 1 qubit risultanti.

Sintesi di alto livello

Tra i plugin di sintesi di alto livello disponibili direttamente in Qiskit figurano quelli per la sintesi Clifford di oggetti, LinearFunction oggetti e PermutationGate oggetti. Alcuni di questi plugin prevedono implicitamente una connettività “tutti con tutti”. Non si tratta di una limitazione pratica, poiché HighLevelSynthesis questa fase viene in genere eseguita prima del layout e del routing, il che garantisce che il circuito finale rispetti la connettività del dispositivo grazie all’inserimento di ulteriori porte SWAP. Un buon esempio è il plugin ACGSynthesisPermutation di sintesi per permutazioni, in grado di sintetizzare qualsiasi permutazione con al massimo 2 livelli di porte SWAP. D'altra parte, alcuni plugin presuppongono implicitamente una connettività lineare. In genere, i circuiti di sintesi presentano una profondità maggiore e un numero più elevato di porte; tuttavia, non verrebbero inserite porte SWAP aggiuntive se, nella fase successiva di layout, venisse scelta una linea consecutiva di qubit all’interno della topologia del dispositivo. nUn buon esempio è il plugin KMSSynthesisPermutation di sintesi per permutazione, in grado di sintetizzare qualsiasi permutazione di n qubit in profondità. In genere, è difficile stabilire in anticipo quale dei due approcci — la sintesi di circuiti per una connettività "all-to-all" e l'inserimento di porte SWAP, oppure la sintesi di circuiti per una connettività lineare e l'inserimento di un numero minore o nullo di porte SWAP — porti a un circuito finale migliore; pertanto, è probabilmente opportuno provarli entrambi e verificare quale offra risultati migliori. Infine, alcuni plugin possono essere destinati a una determinata modalità di connessione e, pertanto, dovrebbero essere eseguiti dopo che il layout è stato impostato. In questo caso, il circuito sintetizzato si adatta automaticamente alla topologia del dispositivo. Un buon esempio è il plugin TokenSwapperSynthesisPermutation di sintesi per permutazioni, in grado di sintetizzare permutazioni arbitrarie rispetto a mappe di accoppiamento arbitrarie. Per ulteriori dettagli, si prega di consultare la descrizione di ciascun plugin.

Per ogni oggetto di alto livello forniamo una tabella che elenca tutti i plugin disponibili direttamente in Qiskit. Includiamo il nome del plugin, la classe del plugin, la mappa di connettività di destinazione e, facoltativamente, ulteriori informazioni. HLSConfigSi ricorda che i plugin devono essere utilizzati tramite il metodo descritto in precedenza, ad esempio:

HLSConfig(permutation=["kms"])

crea una configurazione di sintesi di alto livello che utilizza il kms plugin per la sintesi PermutationGate degli oggetti – ovvero quelli con name = "permutation". In questo caso, il nome del plugin è “kms”, mentre la classe del plugin è KMSSynthesisPermutation. Questo specifico algoritmo di sintesi ha generato un circuito che rispetta la connettività lineare “next-nearest-neighbor”.

Plugin di sintesi ad alto livello

Sintesi di Clifford

Sintesi di funzioni lineari

Sintesi di permutazione

Sintesi QFT

Sintesi MCX

La tabella seguente elenca i plugin di sintesi disponibili per un MCXGate gate con k qubit di controllo. Se il numero disponibile di qubit ausiliari puliti/sporchi non è sufficiente, il metodo di sintesi corrispondente restituirà None.

Sintesi MCMT

Comparatori di numeri interi

Somme

Sintesi dell'evoluzione di Pauli

Sintesi modulare dell'addizionatore

Sintesi del mezzo sommatore

Sintesi dell'addizionatore completo

Sintesi moltiplicatrice