创新优化量子电路! IBM架构师Dmitri Maslov当选IEEE Fellow

北京时间1月20日消息（余予）Dmitri Maslov 因其在“量子电路集成与优化以及量子计算机的编译”方面的贡献得到认可。

量子电路类似于经典计算中的电路或程序。由于现有量子硬件的大小有限，量子电路简短且高效尤为重要。与早期的可编程经典计算机类似，当时的硬件又小又贵，一个高效的程序必须精心制作，以减少其长度和内存占用。例如，变量重用曾是很普遍的做法，但是如今由于廉价和丰富的内存，已经不再需要这么做了。

Dmitri Maslov IBM Quantum首席软件架构师

IBM的首席软件架构师Dmitri Maslov为提高量子电路的效率展开了早期的基础工作。他的贡献包括为各种量子子例程（包括单量子位酉容错、多重控制门、近似量子傅里叶变换 （QFT）、Select-V）和量子转换类（可逆电路、Clifford电路）设计高效电路，构建用于量子电路优化（模板、相位多项式）、量子电路放置、技术优化和资源权衡的框架。据悉，他设计的电路已用于多个有关量子算法的最新实验演示中。

比如，得益于Dmitri Maslov的贡献，IBM Quantum Experience平台的用户可能会发现多重控制的Toffoli门的实现，这是Grover搜索算法的核心转变。

由于这项具有开创性的研究，IEEE授予Maslov 2021 Fellow称号，以表彰其“在量子电路的集成和优化以及对量子计算机进行编译方面的贡献”。

在下面的问答中，Dmitri Maslov解释了量子电路、这些量子电路的编译器以及成为IEEE Fellow对他的意义。

Q：“量子电路集成、优化和编译”如何改善量子计算机的功能？

Dmitri Maslov：编译研究可归结为研究一系列与在量子硬件上有效执行量子算法相关的问题。这包括量子算法设计、量子电路集成、量子电路优化（在所有抽象级别上）、量子电路放置、布局、调度、资源权衡和量子体系结构，它们通常在量子编译的框架下结合在一起。高效的编译可以提供简短、实用和随时可用的量子程序，以解决量子硬件上的问题。

由于在奠定建立高效量子计算的基础方面所做的工作，我被授予了IEEE Fellow。每个量子计算都需要被表示为一个物理量子计算硬件可以直接执行的指令调度（一个电路）。对于当今的量子计算来说，为提高经典计算的性能，这些指令调度需要尽可能短。

给定一个可以在量子计算机上解决的问题，我的目标是制定一个使用尽可能少的量子资源可以解决的指令。例如，一个依赖于M量子门（这也可以是电路宽度、 或其他参数值）的指令调度。一旦找到具有M量子门的解决方案，我就尝试寻找具有M-1量子门的解决方案，重复进行这一操作直至没有更进一步的方案。当最佳量子电路被找到并证实其最佳性时，我感到十分有成就感。但这种情况不经常发生，因为找到一个最佳电路并证明其最佳性非常困难，同时，由于这一系列操作保证了其最佳性能，因此是非常可取的。

此外，量子计算机需要配备高效的编译器。低效的编译器可能会因为合成比经典量子指令调度更长的指令而使量子计算机完全无用。

“我现在最感兴趣的话题是量子计算中的时空权衡，以及它们如何与经典计算中的时空权衡相比较。”

-IBM Dmitri Maslov博士

Q：什么是量子编译器？

Dmitri Maslov：就像经典计算机一样，量子计算机由硬件和软件组成。其中软件最重要的方面之一是编译器，它负责确定解决某个问题所需的量子资源数量，并提供可执行的物理操作序列。

解决问题过程中，所需的量子资源越少，算法执行得越快，答案也就越清晰，即保真度越高。对于有限大小的量子计算（例如，具有有限数量的量子位或可以应用的有限数量的门的量子计算）来说，在劣质编译器需要超过可用资源的数量才能执行计算的情况时，优质编译器基于当前资源就能执行计算。

同时，执行过程中，你可能会发现，特别高效的电路需要使用在特定体系结构上编排的特定指令。如果证明它远胜于替代方案，就需要设计为执行这种电路而优化的量子硬件（类似于ASIC）。这说明量子编译器具有改变量子计算路线图或比预期更早实现里程碑的潜力。这种情况在经典计算中已经发生多次，所以不应感到惊讶。

Q：成为IEEE Fellow对您以及量子计算领域有什么意义？

Dmitri Maslov：IEEE对经典计算机有着至关重要的影响。可以肯定地说，如果没有IEEE成员的努力，如今众所周知的经典计算机就不会存在。同样，如果要使量子计算成为可与经典计算机相提并论的广泛传播的成熟技术，IEEE将需要在推动量子计算领域发展、促进思想交流、协助培养合格人员、制定标准等方面发挥重要作用。

“祝贺我在IBM Quantum的同事Dmitri。他被授予IEEE Fellow，这进一步强调了电路设计和编译作为量子计算进展的一部分的重要性。作为IEEE的一员，我亲身了解其成员们是如何协作和参与推动技术进步的。”

--Matthias Steffen博士，IBM Fellow，IBM 高级会员

能够成为首批IEEE在量子计算领域认可的几位Fellow之一，是我莫大的荣幸，因为这让我成为了IEEE组织和量子计算行业重要组成部分的推动者。我希望在不久的将来，能在IEEE内部看到一个量子计算协会的形成，并且我相信，它可能会成为IEEE规模较大的协会之一。事实上，它将包括许多现有的经典IEEE计算协会的“量子”版本。

除此之外，我认为IEEE Fellow奖对于量子计算领域的意义在于，它预示着未来IEEE和量子计算社区将会进行紧密合作。

“每年增加的IEEE Fellow数量不超过IEEE投票成员总数的0.1%。”

--IEEE

据了解，Dmitri Maslov是IBM Quantum的首席软件架构师，负责IBM量子编译器的开发，其中包括解决许多问题，以有效地在当今可用的量子硬件上执行感兴趣的算法。

现在，人们可以在量子计算机上运行电路，尝试逐步教程，或是使用Qiskit在IBM Quantum Experience上编写自己的程序。

附:

·IEEE：美国电子电气工程师协会，Institute of Electrical and Electronics Engineers，国际性的电子技术与信息科学工程师的协会，于1963年1月1日在美国纽约市建立。IEEE定义的标准在工业界有极大的影响。

·IEEE Fellow：为IEEE协会最高等级会员，指在相关领域做出过一定贡献的工程师、科学家、教育工作者、技术主管或发明家。

·QFT：量子傅里叶变换(quantum Fourier transform)，是一种离散傅里叶变换，将原式分解成更为简单的多个幺正矩阵的积。

·Toffoli 门：又被称作“控-控-非”门，“controlled-controlled-not (CCNOT)” gate)是由Tommaso Toffoli 提出的。它是一种通用可逆逻辑门，即任意可逆电路可由Toffoli 门构造得到。它具有三路输入和三路输出。如果前两位置一，它将倒置第三位，否则所有位保持不变。

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