Dodawanie przejść fermionowych do puli konfiguracji

Pokazujemy tutaj funkcje służące do powiększania puli konfiguracji elektronowych uzyskanej przez działanie operatorów przejścia na każdą konfigurację elektronową.

Pokazujemy, jak dodać przeskoki pojedynczego elektronu typu:

$$c^\dagger_{p\sigma} c_{q\sigma} |\textbf{x} \rangle$$

dla $p, q = 1, ..., N_\textrm{orb}$ i $\sigma \in \{ \uparrow, \downarrow\}$, oraz dla wszystkich $|\textbf{x} \rangle$ w partii konfiguracji elektronowych. Zaczynamy od wygenerowania partii losowych konfiguracji elektronowych:

# Added by doQumentation — installs the packages this notebook needs if they are missing
import importlib.util

_needed = {"numpy": "numpy", "qiskit_addon_sqd": "qiskit-addon-sqd"}
_missing = [pip for module, pip in _needed.items()
            if importlib.util.find_spec(module) is None]
# One at a time, so a package that fails to install does not block the others
for _pip in _missing:
    %pip install -q {_pip}
if not _missing:
    print("\u2713 All required packages are installed")

import numpy as np

n_qubits = 8
n_orb = n_qubits // 2

rand_seed = 22
np.random.seed(rand_seed)

# Generate some random bitstrings for testing
def random_bitstrings(n_samples, n_qubits):
    return (
        np.round(np.random.rand(n_samples, n_qubits))
        .astype("int")
        .astype("bool")
    )

bitstring_matrix = random_bitstrings(100, n_qubits)

Operatory wzbudzenia są zadane wewnątrz tablicy numpy, której długość jest równa liczbie węzłów fermionowych (czyli kubitów). Każdy element tablicy musi być łańcuchem znaków o jednej z wartości:

• 'I': Identity

• '+': operator kreacji

• '-': operator anihilacji

Generujemy wszystkie możliwe przejścia pojedynczego elektronu (w obrębie tego samego rodzaju spinu).

transitions_single = np.array(
    [
        ["I" for i in range(2 * n_orb)]
        for j in range(4 * (n_orb**2 - n_orb) // 2 + 1)
    ]
)
count = 1
for i in range(n_orb):
    for j in range(i + 1, n_orb):
        # spin up
        transitions_single[count, i] = "+"
        transitions_single[count, j] = "-"
        count += 1
        transitions_single[count, i] = "-"
        transitions_single[count, j] = "+"
        count += 1

        # spin down
        transitions_single[count, i + n_orb] = "+"
        transitions_single[count, j + n_orb] = "-"
        count += 1
        transitions_single[count, i + n_orb] = "-"
        transitions_single[count, j + n_orb] = "+"
        count += 1

print(transitions_single)

[['I' 'I' 'I' 'I' 'I' 'I' 'I' 'I']
 ['+' '-' 'I' 'I' 'I' 'I' 'I' 'I']
 ['-' '+' 'I' 'I' 'I' 'I' 'I' 'I']
 ['I' 'I' 'I' 'I' '+' '-' 'I' 'I']
 ['I' 'I' 'I' 'I' '-' '+' 'I' 'I']
 ['+' 'I' '-' 'I' 'I' 'I' 'I' 'I']
 ['-' 'I' '+' 'I' 'I' 'I' 'I' 'I']
 ['I' 'I' 'I' 'I' '+' 'I' '-' 'I']
 ['I' 'I' 'I' 'I' '-' 'I' '+' 'I']
 ['+' 'I' 'I' '-' 'I' 'I' 'I' 'I']
 ['-' 'I' 'I' '+' 'I' 'I' 'I' 'I']
 ['I' 'I' 'I' 'I' '+' 'I' 'I' '-']
 ['I' 'I' 'I' 'I' '-' 'I' 'I' '+']
 ['I' '+' '-' 'I' 'I' 'I' 'I' 'I']
 ['I' '-' '+' 'I' 'I' 'I' 'I' 'I']
 ['I' 'I' 'I' 'I' 'I' '+' '-' 'I']
 ['I' 'I' 'I' 'I' 'I' '-' '+' 'I']
 ['I' '+' 'I' '-' 'I' 'I' 'I' 'I']
 ['I' '-' 'I' '+' 'I' 'I' 'I' 'I']
 ['I' 'I' 'I' 'I' 'I' '+' 'I' '-']
 ['I' 'I' 'I' 'I' 'I' '-' 'I' '+']
 ['I' 'I' '+' '-' 'I' 'I' 'I' 'I']
 ['I' 'I' '-' '+' 'I' 'I' 'I' 'I']
 ['I' 'I' 'I' 'I' 'I' 'I' '+' '-']
 ['I' 'I' 'I' 'I' 'I' 'I' '-' '+']]

Teraz stosujemy operatory przejścia do konfiguracji w bitstring_matrix:

from qiskit_addon_sqd.fermion import enlarge_batch_from_transitions

bitstring_matrix_aug = enlarge_batch_from_transitions(
    bitstring_matrix, transitions_single
)

print(bitstring_matrix_aug.shape)
print(bitstring_matrix_aug)

(723, 8)
[[False False False ... False False  True]
 [False  True False ...  True False False]
 [ True  True  True ...  True False  True]
 ...
 [ True False  True ... False False  True]
 [ True  True  True ...  True False  True]
 [False False False ... False False  True]]