Irene: 구조 보존 심볼릭 축소를 통한 하이브리드 양자 프로그램의 동등성 검사

동등성 검사(Equivalence checking)는 양자 연산, 측정 및 클래식 제어를 결합한 하이브리드 양자 프로그램의 컴파일러 변환을 검증하는 데 필수적입니다. 측정에 의존하는 제어는 유니터리 추론을 제한하며, 클래식 결과와 양자 연산 간의 종속성은 중간 심볼릭 상태를 확장시킬 수 있습니다. 우리는 구조 보존 심볼릭 축소(structure-preserving symbolic reduction)에 기반한 경계 하이브리드 양자 프로그램용 동등성 검사 프레임워크인 Irene을 제시합니다. 이 프레임워크는 세 가지 수준의 추론을 통해 동등성 의무를 점진적으로 단순화합니다. 게이트 레벨에서는 대수적 항등식(algebraic identities)이 유니터리 영역을 단순화합니다. 하이브리드 경로 합(Hybrid Path-Sum, HPS) 레벨에서는 축소된 심볼릭 실행 상태가 타입 그래프(typed graphs)로 표현되며, 이의 동형사상(isomorphism)이 동등성을 인증합니다. 남아 있는 의무는 입력 밀도 연산자(input density operators)를 관측 가능한 출력으로 변환하는 특성을 가지는 밀도 커널(density kernels)을 통해 처리되어, 내부 측정 기록이 다르더라도 비교가 가능하게 합니다. 잔여 계수 차이는 SMT 쿼리(SMT queries)로 인코딩됩니다. 공통의 심볼릭 축소 세트는 인수분해된 부울 및 산술 표현식(factored Boolean and arithmetic expressions)을 보존함으로써 HPS 및 밀도 커널 추론을 지원하며, 잔여 합을 전개하기 전에 축소 가능한 종속성을 제거합니다. 우리는 7개의 벤치마크 스위트에서 가져온 1,982쌍의 프로그램 쌍에 대해 Irene을 다섯 가지 동등성 검사기와 비교 평가했습니다. Irene은 1,584쌍(79.92%)을 해결하여, 가장 높은 누적 커버리지를 가진 기준선인 MQT QCEC의 57.52%와 비교되었으며, 해결된 쌍당 평균 종단 간 시간은 3.93초였습니다. 동등성 검사 오라클로 적용된 Irene은 또한 Qiskit, Cirq, PennyLane을 포함하여 이전에 알려지지 않았던 양자 컴파일러의 버그 15개를 식별했습니다.