Qiskit量子计算框架中优化级别导致的电路深度异常问题分析

问题背景

在Qiskit 1.3.0rc1版本和主分支中，用户发现了一个关于量子电路优化的异常现象。当使用优化级别2和3进行电路转换时，生成的电路深度反而比优化级别1更深，这与Qiskit 1.2.4版本的行为不一致。

问题现象

通过一个简单的两量子比特电路测试，可以清晰地观察到这一现象：

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Qiskit 1.2.4中，三个优化级别输出的电路深度相同；而在1.3.0rc1和主分支中，优化级别越高，电路深度反而越大。

技术分析

这个问题源于Qiskit 1.3.0rc1中引入的UnitarySynthesis（酉合成）传递机制的改变。具体来说：

1. 传递流程差异：在优化级别3的处理流程中，电路首先被转换为一个大的酉矩阵表示
2. 合成失败：当仅使用basis_gates参数而未指定Target约束时，UnitarySynthesis传递无法正确合成电路
3. 优化受阻：由于电路被表示为单个酉门，后续优化传递无法对其进行有效优化

根本原因

问题的核心在于：

1. 新版本中优化级别2和3会尝试将电路块合并为酉矩阵进行全局优化
2. 但在仅指定basis_gates的情况下，酉合成传递无法正确处理这种表示
3. 导致电路保持为大型酉门形式，无法被后续优化传递分解和简化

解决方案建议

针对这一问题，开发者可以考虑以下解决方案：

1. 临时解决方案：在使用高级优化时，建议提供完整的Target约束而不仅仅是basis_gates
2. 长期修复：需要修正UnitarySynthesis传递在仅有basis_gates情况下的处理逻辑
3. 版本兼容性：在修复前，对于简单电路，可以考虑暂时使用优化级别1

对用户的影响

这一问题主要影响以下场景：

1. 使用高级优化级别(2或3)进行电路转换
2. 仅通过basis_gates参数指定基础门集
3. 期望获得比低优化级别更优的电路深度

结论

Qiskit 1.3.0rc1中引入的优化流程变化导致了在某些情况下高级优化级别反而产生更深电路的问题。开发团队已经识别到这一问题，并正在寻找解决方案。在此期间，用户可以暂时使用优化级别1，或者提供更完整的硬件约束信息来规避此问题。

这个问题也提醒我们，在量子电路优化中，全局优化策略需要与底层门集约束紧密结合，才能产生预期的优化效果。随着Qiskit的持续发展，这类优化流程的稳定性将得到进一步改善。