We present the first fully automatic framework for verifying relational properties of parameterized quantum programs, i.e., a program that, given an input size, generates a corresponding quantum circuit. We focus on verifying input-output correctness as well as equivalence. At the core of our approach is a new automata model, synchronized weighted tree automata (SWTAs), which compactly and precisely captures the infinite families of quantum states produced by parameterized programs. We introduce a class of transducers to model quantum gate semantics and develop composition algorithms for constructing transducers of parameterized circuits. Verification is reduced to functional inclusion or equivalence checking between SWTAs, for which we provide decision procedures. Our implementation demonstrates both the expressiveness and practical efficiency of the framework by verifying a diverse set of representative parameterized quantum programs with verification times ranging from milliseconds to seconds.


翻译:我们提出了首个全自动框架,用于验证参数化量子程序的关系属性,即给定输入规模即可生成相应量子电路的程序。我们重点关注输入输出正确性及等价性的验证。该方法的核心理念是一种新型自动机模型——同步加权树自动机(SWTA),该模型能够紧凑且精确地捕捉参数化程序产生的无限量子态族。我们引入一类转移器来建模量子门语义,并开发了用于构建参数化电路转移器的组合算法。验证过程被简化为SWTA之间的函数包含性或等价性检查,我们为此提供了决策过程。通过验证一组多样化的代表性参数化量子程序(验证时间从毫秒到秒不等),我们的实现展示了该框架的表达能力和实际效率。

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