Rustiq results in deeper circuits

[t-imamichi]

What should we add?

I found an example that rustiq does not work well. It generates a circuit with twice the number of CZ gates compared without rustiq.
I conducted the following experiments on macOS 15.2 and Python 3.12.8.

from qiskit import QuantumCircuit, __version__, generate_preset_pass_manager
from qiskit.circuit.library import PauliEvolutionGate
from qiskit.quantum_info import SparsePauliOp
from qiskit.transpiler.passes import HLSConfig
from qiskit_ibm_runtime.fake_provider import FakeTorino

print(__version__)

config = HLSConfig(PauliEvolution=[("rustiq", {"upto_phase": True})])

backend = FakeTorino()
pm = generate_preset_pass_manager(optimization_level=3, backend=backend)
pm_rustiq = generate_preset_pass_manager(optimization_level=3, backend=backend, hls_config=config)

qc = QuantumCircuit(3)
op = SparsePauliOp(["XXI", "YYI", "ZZI", "IXX", "IYY", "IZZ"])
print(op)
evo = PauliEvolutionGate(op, 1)
qc.append(evo, qargs=qc.qubits)
tqc = pm.run(qc)
print("optimization_level 3")
print(tqc.draw(idle_wires=False))
print(tqc.count_ops())

tqc = pm_rustiq.run(qc)
print("\noptimization_level 3 + Rustiq")
print(tqc.draw(idle_wires=False))
print(tqc.count_ops())

# qiskit 1.3.2
1.3.2
SparsePauliOp(['XXI', 'YYI', 'ZZI', 'IXX', 'IYY', 'IZZ'],
              coeffs=[1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j])
optimization_level 3
global phase: 3π/2
           ┌─────────┐    ┌────┐      ┌─────────┐    ┌────┐    ┌────────┐┌────┐   ┌────┐┌────────┐┌────┐   ┌──────────┐   ┌────┐  ┌────────┐  ┌────┐   »
q_1 -> 126 ┤ Rz(π/2) ├────┤ √X ├────■─┤ Rz(π/2) ├────┤ √X ├────┤ Rz(-2) ├┤ √X ├─■─┤ √X ├┤ Rz(-2) ├┤ √X ├─■─┤ Rz(-π/2) ├─■─┤ √X ├──┤ Rz(-2) ├──┤ √X ├─■─»
           └──┬────┬─┘┌───┴────┴──┐ │ └──┬────┬─┘┌───┴────┴───┐└────────┘└────┘ │ ├────┤└────────┘└────┘ │ ├─────────┬┘ │ └────┘  └────────┘  └────┘ │ »
q_2 -> 127 ───┤ √X ├──┤ Rz(-3π/2) ├─■────┤ √X ├──┤ Rz(0.4292) ├─────────────────■─┤ √X ├─────────────────■─┤ Rz(π/2) ├──┼────────────────────────────┼─»
              ├────┤  ├───────────┤      └────┘  └────────────┘                   └────┘                   └─────────┘  │ ┌────┐┌────────────┐       │ »
q_0 -> 132 ───┤ √X ├──┤ Rz(-3π/2) ├─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────■─┤ √X ├┤ Rz(0.4292) ├───────■─»
              └────┘  └───────────┘                                                                                       └────┘└────────────┘         »
«           ┌────┐┌────────┐┌────┐      ┌────┐  ┌─────────┐
«q_1 -> 126 ┤ √X ├┤ Rz(-2) ├┤ √X ├─■────┤ √X ├──┤ Rz(π/2) ├
«           └────┘└────────┘└────┘ │    └────┘  └─────────┘
«q_2 -> 127 ───────────────────────┼───────────────────────
«           ┌────┐                 │ ┌─────────┐
«q_0 -> 132 ┤ √X ├─────────────────■─┤ Rz(π/2) ├───────────
«           └────┘                   └─────────┘
OrderedDict({'sx': 16, 'rz': 14, 'cz': 6})

optimization_level 3 + Rustiq
global phase: π
           ┌────────┐┌───┐              ┌─────────┐    ┌────┐    ┌────────────┐┌────┐   ┌────┐   ┌───────┐    ┌────┐┌───────┐                         »
q_2 -> 37 ─┤ Rz(-π) ├┤ X ├────────────■─┤ Rz(π/2) ├────┤ √X ├────┤ Rz(1.1416) ├┤ √X ├─■─┤ √X ├───┤ Rz(2) ├────┤ √X ├┤ Rz(π) ├─────────────────────────»
           └────────┘└───┘            │ └─────────┘    └────┘    └────────────┘└────┘ │ └────┘   └───────┘    └────┘└───────┘┌────┐┌──────────────┐   »
q_0 -> 51 ────────────────────────────┼───────────────────────────────────────────────┼─────────────────────────────────■────┤ √X ├┤ Rz(-0.92457) ├─■─»
          ┌─────────┐┌────┐┌────────┐ │    ┌────┐  ┌────────────┐                     │ ┌────┐┌──────────────┐┌────┐    │    ├────┤└──────────────┘ │ »
q_1 -> 52 ┤ Rz(π/2) ├┤ √X ├┤ Rz(-π) ├─■────┤ √X ├──┤ Rz(4.2832) ├─────────────────────■─┤ √X ├┤ Rz(-0.35245) ├┤ √X ├────■────┤ √X ├─────────────────■─»
          └─────────┘└────┘└────────┘      └────┘  └────────────┘                       └────┘└──────────────┘└────┘         └────┘                   »
«                                                                                                                                                        »
«q_2 -> 37 ────────────────────────────■──────────────────────────────────■──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────»
«          ┌────┐┌─────────────┐┌────┐ │ ┌────────────┐                   │ ┌────┐┌─────────────┐┌────┐┌──────────┐   ┌────┐   ┌────┐                    »
«q_0 -> 51 ┤ √X ├┤ Rz(-2.5933) ├┤ √X ├─┼─┤ Rz(2.4178) ├────────────────■──┼─┤ √X ├┤ Rz(-2.7124) ├┤ √X ├┤ Rz(-π/2) ├─■─┤ √X ├─■─┤ √X ├─■──────────────────»
«          ├────┤└─┬──────────┬┘└────┘ │ └───┬────┬───┘┌─────────────┐ │  │ ├────┤└─┬─────────┬─┘└────┘└──────────┘ │ ├────┤ │ ├────┤ │ ┌─────────┐┌────┐»
«q_1 -> 52 ┤ √X ├──┤ Rz(-π/2) ├────────■─────┤ √X ├────┤ Rz(-5.1416) ├─■──■─┤ √X ├──┤ Rz(π/2) ├─────────────────────■─┤ √X ├─■─┤ √X ├─■─┤ Rz(π/2) ├┤ √X ├»
«          └────┘  └──────────┘              └────┘    └─────────────┘      └────┘  └─────────┘                       └────┘   └────┘   └─────────┘└────┘»
«
«q_2 -> 37 ──────────■──────────────────────────────
«                    │          ┌───────┐
«q_0 -> 51 ──────────┼────────■─┤ Rz(π) ├───────────
«          ┌───────┐ │ ┌────┐ │ └─┬────┬┘┌─────────┐
«q_1 -> 52 ┤ Rz(π) ├─■─┤ √X ├─■───┤ √X ├─┤ Rz(π/2) ├
«          └───────┘   └────┘     └────┘ └─────────┘
OrderedDict({'sx': 24, 'rz': 21, 'cz': 12, 'x': 1})

# main branch
2.0.0.dev0+e9ccd3f
SparsePauliOp(['XXI', 'YYI', 'ZZI', 'IXX', 'IYY', 'IZZ'],
              coeffs=[1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j])
optimization_level 3
global phase: 3π/2
           ┌─────────┐    ┌────┐      ┌─────────┐    ┌────┐    ┌────────┐┌────┐   ┌────┐┌────────┐┌────┐   ┌──────────┐   ┌────┐  ┌────────┐  ┌────┐   »
q_1 -> 126 ┤ Rz(π/2) ├────┤ √X ├────■─┤ Rz(π/2) ├────┤ √X ├────┤ Rz(-2) ├┤ √X ├─■─┤ √X ├┤ Rz(-2) ├┤ √X ├─■─┤ Rz(-π/2) ├─■─┤ √X ├──┤ Rz(-2) ├──┤ √X ├─■─»
           └──┬────┬─┘┌───┴────┴──┐ │ └──┬────┬─┘┌───┴────┴───┐└────────┘└────┘ │ ├────┤└────────┘└────┘ │ ├─────────┬┘ │ └────┘  └────────┘  └────┘ │ »
q_2 -> 127 ───┤ √X ├──┤ Rz(-3π/2) ├─■────┤ √X ├──┤ Rz(0.4292) ├─────────────────■─┤ √X ├─────────────────■─┤ Rz(π/2) ├──┼────────────────────────────┼─»
              ├────┤  ├───────────┤      └────┘  └────────────┘                   └────┘                   └─────────┘  │ ┌────┐┌────────────┐       │ »
q_0 -> 132 ───┤ √X ├──┤ Rz(-3π/2) ├─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────■─┤ √X ├┤ Rz(0.4292) ├───────■─»
              └────┘  └───────────┘                                                                                       └────┘└────────────┘         »
«           ┌────┐┌────────┐┌────┐      ┌────┐  ┌─────────┐
«q_1 -> 126 ┤ √X ├┤ Rz(-2) ├┤ √X ├─■────┤ √X ├──┤ Rz(π/2) ├
«           └────┘└────────┘└────┘ │    └────┘  └─────────┘
«q_2 -> 127 ───────────────────────┼───────────────────────
«           ┌────┐                 │ ┌─────────┐
«q_0 -> 132 ┤ √X ├─────────────────■─┤ Rz(π/2) ├───────────
«           └────┘                   └─────────┘
OrderedDict({'sx': 16, 'rz': 14, 'cz': 6})

optimization_level 3 + Rustiq
global phase: 3π/4
          ┌─────────┐ ┌────┐                                                                                               ┌────┐     ┌────┐              »
q_0 -> 37 ┤ Rz(π/2) ├─┤ √X ├──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────■────┤ √X ├───■─┤ √X ├─■────────────»
          └──┬────┬─┘ └────┘               ┌─────────┐    ┌────┐    ┌────────────┐┌────┐   ┌────┐┌────────────┐┌────┐ │ ┌──┴────┴─┐ │ └────┘ │            »
q_1 -> 51 ───┤ √X ├──────────────────────■─┤ Rz(π/2) ├────┤ √X ├────┤ Rz(1.1416) ├┤ √X ├─■─┤ √X ├┤ Rz(0.4292) ├┤ √X ├─┼─┤ Rz(π/2) ├─┼────────┼────────────»
          ┌──┴────┴──┐┌────┐┌──────────┐ │ └──┬────┬─┘┌───┴────┴───┐└────────────┘└────┘ │ ├────┤└┬─────────┬─┘└────┘ │ └──┬────┬─┘ │ ┌────┐ │ ┌─────────┐»
q_2 -> 52 ┤ Rz(-π/2) ├┤ √X ├┤ Rz(-π/2) ├─■────┤ √X ├──┤ Rz(4.2832) ├─────────────────────■─┤ √X ├─┤ Rz(π/2) ├─────────■────┤ √X ├───■─┤ √X ├─■─┤ Rz(π/2) ├»
          └──────────┘└────┘└──────────┘      └────┘  └────────────┘                       └────┘ └─────────┘              └────┘     └────┘   └─────────┘»
«                                 ┌──────────┐                                                                                                            »
«q_0 -> 37 ─────────────────────■─┤ Rz(3π/2) ├───────────────────────────────────■────────────────────────────────────────────────────────────────────────»
«                               │ └──┬────┬──┘ ┌────────────┐┌────┐┌────────┐    │ ┌────┐┌─────────────┐┌────┐┌──────────┐   ┌────┐   ┌────┐              »
«q_1 -> 51 ──────────────────■──┼────┤ √X ├────┤ Rz(5.1416) ├┤ √X ├┤ Rz(3π) ├─■──┼─┤ √X ├┤ Rz(-2.7124) ├┤ √X ├┤ Rz(-π/2) ├─■─┤ √X ├─■─┤ √X ├─■────────────»
«          ┌────┐┌─────────┐ │  │    ├────┤   ┌┴────────────┤└────┘└────────┘ │  │ ├────┤└─┬─────────┬─┘└────┘└──────────┘ │ ├────┤ │ ├────┤ │ ┌─────────┐»
«q_2 -> 52 ┤ √X ├┤ Rz(π/2) ├─■──■────┤ √X ├───┤ Rz(-5.1416) ├─────────────────■──■─┤ √X ├──┤ Rz(π/2) ├─────────────────────■─┤ √X ├─■─┤ √X ├─■─┤ Rz(π/2) ├»
«          └────┘└─────────┘         └────┘   └─────────────┘                      └────┘  └─────────┘                       └────┘   └────┘   └─────────┘»
«
«q_0 -> 37 ────────────────■──────────────────────────────
«                          │          ┌───────┐
«q_1 -> 51 ────────────────┼────────■─┤ Rz(π) ├───────────
«          ┌────┐┌───────┐ │ ┌────┐ │ └─┬────┬┘┌─────────┐
«q_2 -> 52 ┤ √X ├┤ Rz(π) ├─■─┤ √X ├─■───┤ √X ├─┤ Rz(π/2) ├
«          └────┘└───────┘   └────┘     └────┘ └─────────┘
OrderedDict({'sx': 27, 'rz': 22, 'cz': 14})

[Cryoris]

Thanks for the report @t-imamichi 🙂 Rustiq can struggle with 2-local terms, it will have a better improvement for denser Hamiltonians. Afaik @smartiel and @alexanderivrii are looking into how to improve the heuristics here.