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P2 A verified optimizer for Quantum circuits

一个经过验证的量子电路优化器
POPL 5(POPL)2021匹配度 2/10 · 该论文属于量子电路优化器的形式化验证,虽涉及定理证明与程序变换正确性,但与用户核心方向(ML/Agentic 程序的静态分析、LLM 与静态分析/形式化验证交叉、浮点或贝叶斯程序分析)没有直接关联。引用 111 inbox
Kesha Hietala, Robert Rand, Shih-Han Hung, Xiaodi Wu, Michael Hicks
crossref: 2026-09-10

AI 速览

一句话:提出首个用 Coq 完全验证的量子电路优化器 VOQC,基于深嵌入 SQIR 并证明优化正确性。

本文提出了 VOQC,这是首个完全经过验证的量子电路优化器,使用 Coq 证明助手编写。量子电路被表示为 SQIR——一种简单、低级的量子中间表示,深嵌入 Coq 中。优化及其他变换被写成 Coq 函数,并针对 SQIR 程序的语义证明其正确性。SQIR 采用复数矩阵语义,这是量子计算的标准语义,但以符号方式处理矩阵,以便对使用任意数量量子比特的程序进行推理。SQIR 的精心设计及所提供的自动化使 VOQC 能够编写并验证广泛的优化,包括来自前沿优化器的完整电路变换。

问题
量子电路优化对降低量子计算开销很重要,但优化变换的正确性难以保证;本文旨在为优化器提供端到端的机器化正确性保证。
方法
用 Coq 证明助手构建 VOQC,以深嵌入的 SQIR 中间表示描述量子电路,并为其定义复数矩阵标准语义;优化被实现为 Coq 函数,并证明其保持程序语义。
评估
通过 Coq 机器化证明验证优化正确性,覆盖包括前沿优化器完整电路变换在内的一系列优化,展示该框架可表达并验证广泛优化。
原文摘要(Abstract)

We present VOQC, the first fully verified optimizer for quantum circuits, written using the Coq proof assistant. Quantum circuits are expressed as programs in a simple, low-level language called SQIR, a simple quantum intermediate representation, which is deeply embedded in Coq. Optimizations and other transformations are expressed as Coq functions, which are proved correct with respect to a semantics of SQIR programs. SQIR uses a semantics of matrices of complex numbers, which is the standard for quantum computation, but treats matrices symbolically in order to reason about programs that use an arbitrary number of quantum bits. SQIR's careful design and our provided automation make it possible to write and verify a broad range of optimizations in VOQC, including full-circuit transformations from cutting-edge optimizers.

链接与引用

DOI 原文 · PDF(开放获取) ·

BibTeX
@article{paperbot1174,
  title = {A verified optimizer for Quantum circuits},
  author = {Kesha Hietala and Robert Rand and Shih-Han Hung and Xiaodi Wu and Michael Hicks},
  journal = {Proceedings of the ACM on Programming Languages},
  volume = {5},
  number = {POPL},
  year = {2021},
  doi = {10.1145/3434318}
}