量子计算基准测试新工具：qasmbench套件在NISQ时代的评估与仿真应用

作者及发表信息
本文由美国太平洋西北国家实验室（Pacific Northwest National Laboratory）的Ang Li、Samuel Stein、Sriram Krishnamoorthy和James Ang合作完成，发表于2020年8月的《ACM Transactions on Quantum Computing》期刊，标题为《qasmbench: a low-level quantum benchmark suite for NISQ evaluation and simulation》。

学术背景
量子计算（Quantum Computing, QC）在噪声中等规模量子（Noisy-Intermediate-Scale-Quantum, NISQ）时代快速发展，但缺乏统一的低层级基准测试工具来评估原型设备的性能、编程编译器效率及经典模拟器能力。现有研究多依赖随机选择的基准程序，缺乏跨领域、标准化的评估框架。为此，作者提出基于开放量子汇编语言（OpenQASM）的基准测试套件qasmbench，整合化学、机器学习、密码学等领域的常用量子例程，并设计新型电路指标以量化NISQ设备的执行效率、噪声敏感性和优化潜力。

研究内容与方法
1. 基准套件设计
qasmbench包含三大类电路：
- 小规模电路（2-5量子比特）：如量子加法器（adder）、贝尔态（bell_state）、Grover搜索算法（grover），适用于密集测试（如密度矩阵断层扫描）。
- 中等规模电路（6-15量子比特）：如量子傅里叶变换（qft）、量子近似优化算法（qaoa），覆盖主流NISQ设备（如IBM-Q Melbourne）。
- 大规模电路（>15量子比特）：如127量子比特加法器（adder_n127），匹配当前最大NISQ设备（IBM-Q Washington）。
所有电路均基于OpenQASM标准，支持通过Qiskit、Cirq等框架转换为其他量子编程语言。

1. 电路评价指标
   除传统宽度（width）和深度（depth）外，作者提出四项新指标：

   • 门密度（Gate Density）：衡量电路时间演化中的门操作占用率，反映硬件利用率。
     
   • 保留寿命（Retention Lifespan）：量化量子比特最长相干时间，关联T1/T2衰减噪声。
     
   • 测量密度（Measurement Density）：评估测量操作的重要性，低密度电路（如swap_test）的最终测量更关键。
     
   • 纠缠方差（Entanglement Variance）：分析双量子比特门（如CX）的分布均衡性，指导量子转译（transpilation）优化。
     

2. 实验验证

   • IBM-Q设备测试：在12台IBM-Q机器（如127量子比特的Washington、7量子比特的Hanoi）上执行24个小规模电路，通过密度矩阵断层扫描（Density Matrix Tomography）计算保真度（Fidelity），累计完成25,000次电路评估。结果显示：浅层电路保真度普遍高于深层电路；大规模设备（如Washington）因噪声累积，保真度反低于小规模设备。
     
   • 跨平台对比：在IBM-Q超导设备、Rigetti Aspen M-1超导系统和IonQ离子阱量子处理器上测试4种电路（如deutsch、dnn）。IonQ因更长的相干时间（T1≥107μs）在浅层电路中表现优异，但单门保真度（99.35%）低于超导设备（99.9%），导致深层电路性能下降。

主要结果与结论
1. 基准覆盖性：qasmbench涵盖从4量子比特（深度23）至85量子比特（深度14,281）的电路，为NISQ研究提供全尺度测试场景。
2. 指标有效性：新指标揭示了电路特性与硬件性能的关联。例如，高纠缠方差的电路（如basis_trotter）通过优化量子比特映射可减少SWAP操作，提升执行效率。
3. 硬件差异：IBM-Q设备保真度与量子体积（Quantum Volume, QV）相关性较弱，而IonQ离子阱设备在特定场景下优势显著，凸显技术路线的互补性。

科学价值与亮点
- 首创性：首个基于OpenQASM的多领域量子基准套件，填补了NISQ评估工具的空白。
- 方法论创新：提出四项电路指标，为软件-硬件协同设计提供量化依据。
- 实践意义：支持主流NISQ平台（IBM-Q、Rigetti、IonQ），助力算法优化与设备选型。

其他亮点
- 开源共享：qasmbench代码发布于GitHub（http://github.com/pnnl/qasmbench），包含电路转换工具（如q-convert），促进社区协作。
- 跨框架兼容性：支持Qiskit、Cirq、Scaffold等编程接口，降低研究门槛。

本文为量子计算系统研究提供了标准化评估框架，其指标与实验设计对推动NISQ技术实用化具有重要参考价值。