Qiskit 1.3.0版本中电路优化级别异常问题分析

问题背景

在量子计算框架Qiskit的最新版本1.3.0rc1和main分支中，用户发现了一个关于电路优化的异常现象。当使用优化级别2和3进行电路编译时，生成的电路深度反而比使用优化级别1时更深。这一现象在1.2.4版本中并不存在，表明这是新版本引入的问题。

问题复现

通过以下简单量子电路可以复现该问题：

from qiskit import generate_preset_pass_manager, QuantumCircuit

qc = QuantumCircuit(2)
qc.cz(0, 1)
qc.sx([0, 1])
qc.cz(0, 1)

for level in [1, 2, 3]:
    pm = generate_preset_pass_manager(optimization_level=level, basis_gates=["rz", "rzz", "sx", "x", "rx"])
    qc2 = pm.run(qc)
    print(f'优化级别 {level} 的电路深度: {qc2.depth()}')

在1.2.4版本中，三个优化级别输出的电路深度相同；而在1.3.0rc1和main分支中，随着优化级别提高，电路深度反而增加。

技术分析

根据核心开发者的调查，这个问题很可能与PR #13141引入的改动有关。当用户仅使用basis_gates参数而不使用Target对象来指定后端约束时，UnitarySynthesis传递无法正确合成电路。

具体问题出现在优化级别3的处理流程中：

1. 首先，BasisTranslator将电路转换为目标基础门集
2. 然后，优化阶段运行ConsolidateBlocks传递，将整个2量子比特电路收集为单个酉矩阵
3. 接着，UnitarySynthesis传递本应处理这个酉矩阵，但实际上什么也没做
4. 由于存在未处理的酉门，其他优化传递都无法对电路进行优化
5. 最终，在优化循环中检测到基础门集外的门，再次运行基础门转换，导致输出电路未被优化

影响范围

这个问题会影响所有使用以下配置的用户：

• 使用Qiskit 1.3.0rc1或更新版本
• 通过basis_gates参数而非Target对象指定基础门集
• 使用优化级别2或3进行电路编译

解决方案建议

目前建议的临时解决方案包括：

1. 暂时回退到1.2.4版本
2. 使用Target对象而非basis_gates参数来指定后端约束
3. 在1.3.0正式版发布前，关注该问题的修复进展

对于开发者而言，修复方向应关注UnitarySynthesis传递在仅使用basis_gates参数时的行为，确保其能正确处理电路合成任务。

总结

这个问题展示了量子电路编译流程中各个优化传递间复杂的相互作用。随着Qiskit功能的不断扩展，保持不同优化级别行为的一致性变得更具挑战性。用户在使用新版本时应注意测试关键电路的编译结果，特别是在升级后检查电路深度和门数量等关键指标。