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Qiskit / qiskit

Qiskit is an open-source SDK for working with quantum computers at the level of extended quantum circuits, operators, and primitives.
https://www.ibm.com/quantum/qiskit
Apache License 2.0
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Clifford transpilation doesn't support basis gates with "sx" instead of "h", or "ecr" instead of "cx" #9907

Closed chriseclectic closed 1 year ago

chriseclectic commented 1 year ago

Environment

What is happening?

Transpiling a Clifford circuit to a clifford basis containing "sx", but not "h" raises a Transpiler error, similar for transpiling with "ecr" instead of "cx" for the two qubit Clifford gate.

How can we reproduce the issue?

from qiskit import QuantumCircuit, transpile
from qiskit.quantum_info import random_clifford

nq = 6
cliff = random_clifford(nq, seed=123)
qc = QuantumCircuit(nq)
qc.append(cliff, range(nq))

Running

tqc = transpile(qc, basis_gates=["cx", "s", "h"])

is ok, but running 

tqc = transpile(qc, basis_gates=["cx", "s", "sx"])

raises 

TranspilerError: "Unable to map source basis {('s', 1), ('cx', 2), ('h', 1), ('y', 1), ('swap', 2), ('x', 1)} to target basis {'barrier', 'delay', 's', 'cx', 'snapshot', 'sx', 'reset', 'measure'} over library <qiskit.circuit.equivalence.EquivalenceLibrary object at 0x11760d910>."
tqc = transpile(qc, basis_gates=["ecr", "s", "h"])
tqc = transpile(qc, basis_gates=["ecr", "s", "sx"])

also raise similar exceptions.

What should happen?

SX should be a valid basis gates for clifford synthesis since it is equivalent to Sdg.H.Sdg. Similar for ECR which can be written as CX + 1 qubit cliffords

Any suggestions?

I'm not sure how clifford synthesis is implemented these days, but it should be updated to support "sx" and "ecr" since they are our native device gate.

My motivation for this is I would like to mimic device transpilation on a clifford simulator by transpiling to a Clifford-equivalent ECR/CX + RZ SX basis, where all the RZ gates would be replaced by either I, Z, Sdg, or S for clifford circuits.

jakelishman commented 1 year ago

Sounds like at a minimum we need a bunch more equivalence-library rules, and longer term, we need to expand the Clifford-specific synthesis routines (@ShellyGarion probably knows the state of that work).

As an immediate workaround, you can do this at the start of your Python session:

import math
from qiskit.circuit.equivalence_library import SessionEquivalenceLibrary
from qiskit.circuit import library as lib, QuantumCircuit

cx_to_ecr = QuantumCircuit(2, global_phase=math.pi / 4)
cx_to_ecr.sxdg(1)
cx_to_ecr.sdg(0)
cx_to_ecr.ecr(0, 1)
cx_to_ecr.x(0)
SessionEquivalenceLibrary.add_equivalence(lib.CXGate(), cx_to_ecr)

h_to_sx = QuantumCircuit(1, global_phase=-math.pi/4)
h_to_sx.s(0)
h_to_sx.sx(0)
h_to_sx.s(0)
SessionEquivalenceLibrary.add_equivalence(lib.HGate(), h_to_sx)

and then all of your lines should work. They won't be the most efficient synthesis (almost certainly), but they'll at least compile.

jakelishman commented 1 year ago

(It's also probably worth checking that I got those equivalences correct lol)

jakelishman commented 1 year ago

They won't be the most efficient synthesis

print(transpile(qc, basis_gates=["ecr", "s", "sx"]))
global phase: 0
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«q_2: ──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────»
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«q_3: ┤ S ├─┤ √X ├─┤ S ├──┤ S ├┤ S ├─┤ S ├─┤ √X ├┤ S ├┤ S ├┤1     ├┤ S ├─┤ S ├─┤ S ├───────────────────────────┤0     ├┤ S ├┤ √X ├┤ S ├─┤ S ├┤ S ├┤ S ├┤ √X ├┤ S ├──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────»
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«q_4: ┤ S ├─┤ S ├─┤1     ├┤ S ├┤ S ├─┤ S ├─────────────────┤0     ├┤ S ├─┤ √X ├┤ S ├┤ S ├─┤ S ├┤ S ├┤ √X ├┤ S ├┤  Ecr ├┤ S ├┤ S ├─┤ √X ├┤ S ├┤ S ├┤ S ├┤ S ├─┤ √X ├┤ S ├┤ S ├┤1     ├┤ S ├┤ S ├─┤ S ├────────────────────────────────────────────────────┤0     ├┤ S ├┤ √X ├┤ S ├┤ S ├┤ S ├┤ S ├┤ √X ├┤ S ├┤ S ├┤ S ├┤ √X ├┤ S ├┤ S ├┤1     ├┤ S ├┤ S ├─┤ √X ├┤ S ├┤ S ├»
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«q_5: ────────────┤0     ├┤ S ├┤ √X ├┤ S ├─┤ S ├─┤ S ├┤ S ├─┤ √X ├─┤ S ├─┤ S ├─┤ S ├┤ √X ├┤ S ├┤ S ├───────────┤1     ├┤ S ├┤ S ├─┤ S ├─┤ S ├────────────────────────────────┤0     ├┤ S ├┤ √X ├┤ S ├┤ S ├┤ S ├┤ S ├┤ √X ├┤ S ├┤ S ├┤ S ├┤ √X ├┤ S ├┤ S ├┤1     ├┤ S ├┤ S ├─┤ S ├────────────────────────────────────────────────────┤0     ├┤ S ├┤ √X ├┤ S ├─┤ S ├┤ S ├»
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«q_0: ───────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
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«q_5: ┤ S ├┤ √X ├┤ S ├┤ S ├┤ S ├┤ S ├┤0     ├┤ S ├┤ √X ├┤ S ├┤ S ├┤ S ├┤ S ├┤ √X ├┤ S ├┤ S ├┤ √X ├┤ S ├┤ S ├┤ S ├┤ S ├┤ √X ├┤ S ├
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looool

ShellyGarion commented 1 year ago

@chriseclectic - do you allow only s and sx as basis gates? or also other gates, e.g. sdg, sxdg, x, z, y?

chriseclectic commented 1 year ago

@ShellyGarion it should be up to the user, "sx", "s" would be minimal, but they could include other clifford basis gates for efficiency in synthesis if you didnt want long circuits like @jakelishman's example with the basis transpilator without optimization.

Essentially any spanning set of our standard Clifford gates should work (i think minimal ones would all have 3 gates from ecr/cx/cz/cy + h/sx/sxdg + s/sdg).

For example I might use ["ecr", "sx", "s", "sdg", "z", "id"] if I wanted to have a circuit that has same shape as transpiling to ["ecr", "rz", "sx"] basis would, but then replaces each rz with a clifford for the 4 valid clifford angles (mod 2pi).

ShellyGarion commented 1 year ago

I added the suggested equivalences to the equivalence library in #9913. As mentioned above, this may produce many redundant S gates, so it may be better to have all clifford z-rotations ["s", "sdg", "z", "id"] in the basis gates.