비유니터리 역학 (Non-unitary Dynamics)의 양자 시뮬레이션을 위한 컴파일 프레임워크

대부분의 양자 컴파일러 (Quantum compilers)는 프로그램이 가역적인 유니터리 회로 (Unitary circuits)라고 가정합니다. 이는 폐쇄계 (Closed-system) 알고리즘에는 적합하지만, 비유니터리 역학 (Non-unitary dynamics)을 기술하는 양자 채널 (Quantum channels)이 자연스러운 프로그램 객체인 개방계 (Open-system) 시뮬레이션에는 적합하지 않습니다. 본 논문에서는 채널을 일급 컴파일 객체 (First-class compilation objects)로 취급하는 채널 우선 (Channel-first) 컴파일 프레임워크를 제시합니다. 우리의 핵심 IR인 ChannelIR은 표준 채널 표현 방식인 Kraus form으로 채널을 명시적으로 표현하며, Pauli-sum 구조를 사용하여 회로 합성 (Circuit synthesis) 이전에 대수적 재작성 (Algebraic rewrites)을 가능하게 합니다. 우리는 연속 시간 Lindbladian 생성기 (Continuous-time Lindbladian generators)를 단시간 채널 (Short-time channels)로 낮추는 프런트엔드 (Frontend)인 LindFront와, 이러한 채널을 구조 인식 최적화 (Structure-aware optimizations)를 통해 실행 가능한 회로로 컴파일하는 백엔드 (Backend)를 통해 이 프레임워크를 구현합니다. Lindbladian 및 채널 시뮬레이션 벤치마크에서, 최적화된 파이프라인은 최적화되지 않은 채널 우선 베이스라인 (Channel-first baseline) 대비 게이트 수 (Gate count)를 최대 99%까지 줄이며, 회로 우선 Stinespring 컴파일 (Circuit-first Stinespring compilation)보다 더 나은 확장성 (Scales better)을 보여줍니다.