양자 중간 표현

아티클
07/15/2023

Quantum Intermediate Representation (QIR)는 양자 프로그래밍 언어/프레임워크와 target에드 양자 계산 플랫폼 간의 공통 인터페이스 역할을 하는 중간 표현입니다. QIR은 LLVM IR 내에서 언어 및 하드웨어에 구애받지 않는 형식을 사용하여 양자 프로그램을 나타내는 규칙 세트를 지정합니다. QIR은 Microsoft의 자회사 중 하나인 QIR Alliance에서 개발한 프로젝트입니다.

중간 표현이란?

클래식 컴파일러의 공통 패턴은 소스 언어를 중간 표현으로 컴파일하는 작업부터 시작하는 것입니다. 중간 표현은 그 이름처럼 소스 코드의 명령을 기계어로 변환하는 중간 단계입니다.

중간 표현은 프로그램의 추상 표현으로 작동합니다. 모든 프로그램은 작성된 언어에 관계없이 프런트 엔드 컴파일러를 통해 이 중간 표현으로 변환되고, 백 엔드 구성 요소는 해당 중간 표현을 머신 표현으로 변환합니다. 따라서 중간 표현을 사용하면 원본 언어를 하드웨어 플랫폼과 분리하고 모듈식 방식으로 컴파일러를 빌드할 수 있습니다. 이때 각 새 언어는 백 엔드를 사용할 수 있는 모든 플랫폼에서 새 프런트 엔드만 지원해야 합니다.

중간 표현은 일반적으로 여러 가지 원본 언어를 표현할 수 있도록 설계되었습니다. 뿐만 아니라 이 중간 수준에서는 최종 구현의 효율성을 좀 더 높이도록 최적화 및 회로 재배치 작업을 수행할 수 있습니다. 최종 target 실행 플랫폼이 알려지면 중간 표현을 실제 실행 코드로 컴파일할 수 있습니다.

이 방법을 사용하면 여러 원본 언어가 공통 최적화 프로그램 및 실행 가능 생성기 세트를 공유할 수 있습니다. 또한 다양한 targets에 대해 단일 소스 언어를 쉽게 컴파일할 수 있습니다. 중간 표현은 여러 원본에서 공유할 수 있는 공통 플랫폼을 제공하며 targets 컴파일러 기계에서 많은 양의 재사용을 허용합니다.

Quantum Intermediate Representation란?

QIR은 Microsoft 자회사인 QIR Alliance에서 개발한 양자 프로그램에 대한 중간 표현입니다. 양자 계산을 위해 많은 언어와 target 플랫폼을 지원하는 공통 인터페이스를 제공합니다. QIR은 상위 수준 언어와 머신 간의 통신을 가능하게 하는 범용 중간 계층 언어라고 할 수 있습니다. Q#이 QIR로 컴파일되지만 QIR은 Q#으로 한정되지 않습니다. 모든 양자 프로그래밍 프레임워크는 QIR을 활용하여 양자 프로그램을 나타낼 수 있습니다. 하드웨어에 구애받지 않습니다. 즉, 양자 명령 또는 게이트 집합을 지정하지 않고 컴퓨팅 환경에 맡 target 깁니다.

QIR은 인기 있는 오픈 소스 LLVM 클래식 컴파일러를 기반으로 합니다. LLVM은 다양한 언어에서 개조된 모듈식 재사용 가능 컴파일러와 도구 체인 기술의 컬렉션입니다. QIR은 LLVM으로 양자 구문을 나타내는 규칙 세트를 지정하지만, LLVM에 대한 확장 또는 수정은 필요 없습니다.

LLVM을 기반 도구 체인으로 사용하는 QIR은 당연히 클래식 논리와 양자 논리를 모두 처리할 수 있습니다. 이 기능은 양자 컴퓨팅의 애플리케이션에서 점점 더 중요해지고 있는 하이브리드 양자-클래식 알고리즘에 필수적입니다. 또한 클래식 컴퓨팅 산업의 컴파일 및 최적화 도구를 활용할 수 있으므로 번역 비용을 줄일 수 있습니다.

양자 컴퓨팅을 선도하는 여러 기업에서 이미 QIR을 채택했습니다. 예를 들어 NVIDIA, Oak Ridge National Laboratory, Quantinuum, Quantum Circuits Inc. 및 Rigetti Computing에서는 QIR을 활용하는 도구 체인을 만들고 있습니다.

자세한 내용은 QIR 사양을 참조하세요. QIR을 사용하는 컴파일러 도구 및 프로젝트에 관심이 있으면 QIR 리포지토리를 살펴보세요.

QIR Alliance란?

QIR Alliance는 양자 에코시스템 내에서 완전한 상호 운용성을 가능하게 하고, 모든 당사자의 개발 노력을 줄이며, 현재와 미래의 이종 양자 프로세서에 적합한 표현을 제공하기 위해 미래 지향적인 양자 중간 표현을 개발하기 위한 공동 노력입니다.

양자 SDK와 언어는 고유하고 독특한 기능을 갖춘 새로운 양자 프로세서와 함께 빠른 속도로 나타나고 발전합니다. 새로운 언어와 새로운 하드웨어 기능 간의 상호 운용성을 제공하려면 에코시스템이 현재 및 미래의 양자 하드웨어와 함께 작동하는 중간 표현을 개발하고 공유하는 것이 필수적입니다.

QIR Alliance는 공동 작업과 파트너십을 통해 다음을 목표로 합니다.

여러 프레임워크와 언어 간의 상호 운용성을 촉진하여 모든 당사자의 필수 개발 작업을 줄입니다.
양자 애플리케이션 개발과 양자 컴파일러 개발을 위한 공유 라이브러리를 개발합니다.
첨단 컴파일러 기술을 기반으로 고성능 컴퓨팅의 기존 도구, 라이브러리 및 배운 내용을 활용합니다.
클래식 및 양자 계산이 하드웨어 수준에서 상호 작용하는 방식을 점진적으로 발전시킵니다.
독특하고 차별화된 하드웨어 기능을 실험할 수 있는 방식으로 새로운 기술을 쉽게 연결할 수 있는 유연성을 제공합니다.

QIR Alliance는 개방형 표준에 대한 Linux Foundation의 Joint Development Foundation 작업에 참여합니다. 창립 멤버로는 Microsoft뿐만 아니라 Quantinuum (이전 하니웰), 오크 리지 국립 연구소, 양자 회로 Inc. 및 Rigetti 컴퓨팅이 포함됩니다.

Quantum Intermediate Representation 어떻게 생겼나요?

QIR은 LLVM을 기반으로 하므로 LLVM처럼 생겼습니다.

예를 들어 벨 쌍을 생성하는 다음 Q# 코드를 생각해 보세요.

operation CreateBellPair(q1 : Qubit, q2 : Qubit) : Unit {
    H(q1);
    CNOT(q1, q2);
}

QIR로 컴파일하면 다음과 같이 됩니다.

define void @CreateBellPair__body(%Qubit* %q1, %Qubit* %q2) {
entry:
  call void @__quantum__qis__h(%Qubit* %q1)
  call void @__quantum__qis__cnot(%Qubit* %q1, %Qubit* %q2)
  ret void
}

이 코드 조각에서 몇 가지 QIR 기능을 볼 수 있습니다.

Q#(또는 다른 양자 프로그래밍 언어)의 연산은 LLVM 함수로 표시됩니다.
큐비트는 라는 %Qubit명명된 불투명 구조체 형식에 대한 포인터로 표시됩니다.

CreateBellPair 연산에 대한 QIR은 매우 간단하지만, QIR은 루프, 조건부 및 기타 복잡한 제어 흐름을 표현하는 LLVM의 모든 기능을 상속합니다. QIR은 임의의 클래식 계산을 표현하는 LLVM의 기능도 상속합니다.

자세한 내용은 2021 Q2B 이벤트에서 Microsoft 개발자 세션을 시청하세요.

중요한 이유는 Quantum Intermediate Representation 무엇인가요?

QIR은 실제 하드웨어에서 양자 알고리즘을 실행할 때 필수적인 도구입니다. 하지만 좀 더 이론적인 수준에서 알고리즘을 개발하려는 경우에도 중간 표현이 중요한 역할을 할 수 있습니다.

예를 들어 QIR에서 사용하도록 설정된 애플리케이션 중 하나는 LLVM의 C 언어 프런트 엔드인 Clang 컴파일러를 사용하여 QIR을 클래식 target에 대한 실행 가능한 머신 코드로 컴파일하는 것입니다. 이렇게 하면 간편하게 양자 명령을 구현하여 C 또는 C++에서 시뮬레이터를 빌드할 수 있으며, 따라서 양자 시뮬레이터 만들기를 간소화할 수 있습니다.

뿐만 아니라 중간 표현을 사용하면 소스 코드와 다른 언어를 사용할 가능성이 있는 실제 디바이스 대신 나중에 양자 시뮬레이터에 입력으로 제공되는 코드를 생성할 수 있습니다. 이러한 방식으로 공통 프레임워크를 사용하여 여러 언어 또는 시뮬레이터를 쉽게 비교하고 벤치마크할 수 있습니다.

코드 최적화 측면에서 전체 알고리즘 구현을 보다 효율적으로 만들 수 있는 중간 수준에서 수행할 수 있는 최적화 단계가 있습니다. 입력 코드의 이 최적화를 조사하면 알고리즘의 효율성을 높여야 하는 위치와 양자 프로그래밍 언어를 개선하는 방법을 보다 정확하게 파악할 수 있습니다.

또 다른 애플리케이션은 표준 LLVM "pass" 인프라를 사용하여 QIR에서 작동하는 양자 코드 최적화 프로그램을 만드는 것입니다. QIR의 언어 및 하드웨어와 상관없는 접근 방식을 선택하면 이러한 최적화 프로그램을 다양한 계산 언어 및 컴퓨팅 플랫폼에 거의 그대로 재사용할 수 있습니다.