Przybliżona kompilacja kwantowa dla układów ewolucji w czasie

Szacowany czas obliczeń: Pięć minut na procesorze Eagle (UWAGA: To jest tylko szacunek. Rzeczywisty czas może się różnić.)

Wprowadzenie

Ten samouczek pokazuje, jak zaimplementować Przybliżoną Kompilację Kwantową z użyciem sieci tensorowych (AQC-Tensor) z Qiskit, aby poprawić wydajność układów kwantowych. Stosujemy AQC-Tensor w kontekście troterowskiej ewolucji w czasie, aby zmniejszyć głębokość układu przy zachowaniu dokładności symulacji, zgodnie z frameworkiem Qiskit do przygotowania stanów i optymalizacji. Nauczysz się, jak tworzyć niskopoziomowy ansatz z wyjściowego układu Trottera, optymalizować go za pomocą sieci tensorowych i przygotowywać do wykonania na sprzęcie kwantowym.

Głównym celem jest symulacja ewolucji w czasie dla modelowego Hamiltonianu przy zmniejszonej głębokości układu. Osiąga się to za pomocą dodatku Qiskit AQC-Tensor, qiskit-addon-aqc-tensor, który wykorzystuje sieci tensorowe, a konkretnie stany iloczynu macierzowego (MPS), do kompresji i optymalizacji wyjściowego układu. Poprzez iteracyjne dostosowania, skompresowany ansatz zachowuje wierność oryginalnemu układowi, pozostając jednocześnie wykonalnym na sprzęcie kwantowym bliskiej przyszłości. Więcej szczegółów można znaleźć w odpowiedniej dokumentacji wraz z prostym przykładem na dobry start.

Przybliżona Kompilacja Kwantowa jest szczególnie korzystna w symulacjach kwantowych przekraczających czasy koherencji sprzętu, ponieważ pozwala na wydajniejsze przeprowadzanie złożonych symulacji. Ten samouczek przeprowadzi cię przez konfigurację przepływu pracy AQC-Tensor w Qiskit, obejmującą inicjalizację Hamiltonianu, generowanie układów Trottera oraz transpilację ostatecznego zoptymalizowanego układu dla docelowego urządzenia.

Wymagania

Przed rozpoczęciem tego samouczka upewnij się, że masz zainstalowane następujące elementy:

• Qiskit SDK v1.0 lub nowszy, z obsługą wizualizacji
• Qiskit Runtime v0.22 lub nowszy (pip install qiskit-ibm-runtime)
• Dodatek AQC-Tensor Qiskit (pip install 'qiskit-addon-aqc-tensor[aer,quimb-jax]')

Konfiguracja

# Added by doQumentation — required packages for this notebook
!pip install -q matplotlib numpy qiskit qiskit-addon-aqc-tensor qiskit-addon-utils qiskit-ibm-runtime quimb rustworkx scipy

import numpy as np
import quimb.tensor
import datetime
import matplotlib.pyplot as plt

from scipy.optimize import OptimizeResult, minimize

from qiskit.quantum_info import SparsePauliOp, Pauli
from qiskit.transpiler import CouplingMap
from qiskit.transpiler.preset_passmanagers import generate_preset_pass_manager
from qiskit import QuantumCircuit
from qiskit.synthesis import SuzukiTrotter

from qiskit_addon_utils.problem_generators import (
    generate_time_evolution_circuit,
)
from qiskit_addon_aqc_tensor.ansatz_generation import (
    generate_ansatz_from_circuit,
)
from qiskit_addon_aqc_tensor.objective import MaximizeStateFidelity
from qiskit_addon_aqc_tensor.simulation.quimb import QuimbSimulator
from qiskit_addon_aqc_tensor.simulation import tensornetwork_from_circuit
from qiskit_addon_aqc_tensor.simulation import compute_overlap

from qiskit_ibm_runtime import QiskitRuntimeService
from qiskit_ibm_runtime import EstimatorV2 as Estimator

from rustworkx.visualization import graphviz_draw

Część I: przykład w małej skali

Pierwsza część tego samouczka używa przykładu w małej skali z 10 węzłami, aby zilustrować proces mapowania problemu symulacji kwantowej na wykonywalny układ kwantowy. Tutaj zbadamy dynamikę modelu XXZ o 10 węzłach, co pozwoli nam zbudować i zoptymalizować zarządzalny układ kwantowy przed skalowaniem do większych systemów.

Model XXZ jest szeroko badany w fizyce pod kątem interakcji spinowych i właściwości magnetycznych. Konfigurujemy Hamiltonian z otwartymi warunkami brzegowymi i zależnymi od miejsca oddziaływaniami między sąsiednimi węzłami wzdłuż łańcucha.

Hamiltonian modelu i obserwabla

Hamiltonian dla naszego 10-węzłowego modelu XXZ jest zdefiniowany jako:

$$\hat{\mathcal{H}}_{XXZ} = \sum_{i=1}^{L-1} J_{i,(i+1)}\left(X_i X_{(i+1)}+Y_i Y_{(i+1)}+ 2\cdot Z_i Z_{(i+1)} \right) \, ,$$

gdzie $J_{i,(i+1)}$ jest losowym współczynnikiem odpowiadającym krawędzi $(i, i+1)$, a $L=10$ to liczba węzłów.

Symulując ewolucję tego układu przy zmniejszonej głębokości układu, możemy uzyskać wgląd w zastosowanie AQC-Tensor do kompresji i optymalizacji układów.

Konfiguracja Hamiltonianu i obserwabli

Zanim zmapujemy nasz problem, musimy skonfigurować mapę sprzężeń, Hamiltonian i obserwablę dla 10-węzłowego modelu XXZ.

# L is the number of sites, also the length of the 1D spin chain
L = 10

# Generate the coupling map
edge_list = [(i - 1, i) for i in range(1, L)]
# Generate an edge-coloring so we can make hw-efficient circuits
even_edges = edge_list[::2]
odd_edges = edge_list[1::2]
coupling_map = CouplingMap(edge_list)

# Generate random coefficients for our XXZ Hamiltonian
np.random.seed(0)
Js = np.random.rand(L - 1) + 0.5 * np.ones(L - 1)
hamiltonian = SparsePauliOp(Pauli("I" * L))
for i, edge in enumerate(even_edges + odd_edges):
    hamiltonian += SparsePauliOp.from_sparse_list(
        [
            ("XX", (edge), Js[i] / 2),
            ("YY", (edge), Js[i] / 2),
            ("ZZ", (edge), Js[i]),
        ],
        num_qubits=L,
    )

# Generate a ZZ observable between the two middle qubits
observable = SparsePauliOp.from_sparse_list(
    [("ZZ", (L // 2 - 1, L // 2), 1.0)], num_qubits=L
)

print("Hamiltonian:", hamiltonian)
print("Observable:", observable)
graphviz_draw(coupling_map.graph, method="circo")

Hamiltonian: SparsePauliOp(['IIIIIIIIII', 'IIIIIIIIXX', 'IIIIIIIIYY', 'IIIIIIIIZZ', 'IIIIIIXXII', 'IIIIIIYYII', 'IIIIIIZZII', 'IIIIXXIIII', 'IIIIYYIIII', 'IIIIZZIIII', 'IIXXIIIIII', 'IIYYIIIIII', 'IIZZIIIIII', 'XXIIIIIIII', 'YYIIIIIIII', 'ZZIIIIIIII', 'IIIIIIIXXI', 'IIIIIIIYYI', 'IIIIIIIZZI', 'IIIIIXXIII', 'IIIIIYYIII', 'IIIIIZZIII', 'IIIXXIIIII', 'IIIYYIIIII', 'IIIZZIIIII', 'IXXIIIIIII', 'IYYIIIIIII', 'IZZIIIIIII'],
              coeffs=[1.        +0.j, 0.52440675+0.j, 0.52440675+0.j, 1.0488135 +0.j,
 0.60759468+0.j, 0.60759468+0.j, 1.21518937+0.j, 0.55138169+0.j,
 0.55138169+0.j, 1.10276338+0.j, 0.52244159+0.j, 0.52244159+0.j,
 1.04488318+0.j, 0.4618274 +0.j, 0.4618274 +0.j, 0.9236548 +0.j,
 0.57294706+0.j, 0.57294706+0.j, 1.14589411+0.j, 0.46879361+0.j,
 0.46879361+0.j, 0.93758721+0.j, 0.6958865 +0.j, 0.6958865 +0.j,
 1.391773  +0.j, 0.73183138+0.j, 0.73183138+0.j, 1.46366276+0.j])
Observable: SparsePauliOp(['IIIIZZIIII'],
              coeffs=[1.+0.j])

Po zdefiniowaniu Hamiltonianu możemy przystąpić do konstruowania stanu początkowego.

# Generate an initial state
initial_state = QuantumCircuit(L)
for i in range(L):
    if i % 2:
        initial_state.x(i)

Krok 1: Mapowanie danych wejściowych klasycznych na problem kwantowy

Teraz, gdy skonstruowaliśmy Hamiltonian definiujący oddziaływania spin-spin i zewnętrzne pola magnetyczne charakteryzujące układ, wykonujemy trzy główne kroki w przepływie pracy AQC-Tensor:

1. Wygeneruj zoptymalizowany układ AQC: Używając troteryzacji, przybliżamy wyjściową ewolucję, która jest następnie kompresowana w celu zmniejszenia głębokości układu.
2. Utwórz pozostały układ ewolucji w czasie: Uchwyć ewolucję dla pozostałego czasu poza wyjściowym segmentem.
3. Połącz układy: Scal zoptymalizowany układ AQC z pozostałym układem ewolucji w kompletny układ ewolucji w czasie gotowy do wykonania.

Takie podejście tworzy niskopoziomowy ansatz dla docelowej ewolucji, wspierając wydajną symulację w ramach ograniczeń sprzętu kwantowego bliskiej przyszłości.

Wyznaczenie fragmentu ewolucji w czasie do symulacji klasycznej

Naszym celem jest symulacja ewolucji w czasie modelowego Hamiltonianu zdefiniowanego wcześniej, przy użyciu ewolucji Trottera. Aby uczynić ten proces wydajnym dla sprzętu kwantowego, dzielimy ewolucję na dwa segmenty:

• Segment wyjściowy: Ten wyjściowy fragment ewolucji, od $t_i = 0.0$ do $t_f = 0.2$, jest symulowany z MPS i może być wydajnie „skompilowany" za pomocą AQC-Tensor. Używając dodatku AQC-Tensor Qiskit, generujemy skompresowany układ dla tego segmentu, określany jako aqc_target_circuit. Ponieważ ten segment będzie symulowany na symulatorze sieciowym tensorowym, możemy pozwolić sobie na użycie większej liczby warstw Trottera bez znaczącego wpływu na zasoby sprzętowe. Ustawiamy aqc_target_num_trotter_steps = 32 dla tego segmentu.

• Segment kolejny: Ten pozostały fragment ewolucji, od $t = 0.2$ do $t = 0.4$, będzie wykonywany na sprzęcie kwantowym, określany jako subsequent_circuit. Ze względu na ograniczenia sprzętowe, dążymy do użycia jak najmniejszej liczby warstw Trottera, aby utrzymać zarządzalną głębokość układu. Dla tego segmentu używamy subsequent_num_trotter_steps = 3.

Wybór czasu podziału

Wybieramy $t = 0.2$ jako czas podziału, aby zrównoważyć klasyczną symulacyjność z wykonalnością sprzętową. Na początku ewolucji splątanie w modelu XXZ pozostaje wystarczająco niskie, aby metody klasyczne takie jak MPS mogły go dokładnie aproksymować.

Przy wyborze czasu podziału, dobrą zasadą jest wybranie punktu, w którym splątanie jest nadal zarządzalne klasycznie, ale uchwytuje wystarczająco dużo ewolucji, aby uprościć fragment wykonywaną na sprzęcie. Może być potrzebne metodą prób i błędów znalezienie najlepszej równowagi dla różnych Hamiltonianów.

# Generate the AQC target circuit (initial segment)
aqc_evolution_time = 0.2
aqc_target_num_trotter_steps = 32

aqc_target_circuit = initial_state.copy()
aqc_target_circuit.compose(
    generate_time_evolution_circuit(
        hamiltonian,
        synthesis=SuzukiTrotter(reps=aqc_target_num_trotter_steps),
        time=aqc_evolution_time,
    ),
    inplace=True,
)

# Generate the subsequent circuit
subsequent_num_trotter_steps = 3
subsequent_evolution_time = 0.2

subsequent_circuit = generate_time_evolution_circuit(
    hamiltonian,
    synthesis=SuzukiTrotter(reps=subsequent_num_trotter_steps),
    time=subsequent_evolution_time,
)
subsequent_circuit.draw("mpl", fold=-1)

Aby umożliwić sensowne porównanie, wygenerujemy dwa dodatkowe układy:

• Układ porównawczy AQC: Ten układ ewoluuje do aqc_evolution_time, ale używa tego samego czasu kroku Trottera co subsequent_circuit. Służy jako porównanie do aqc_target_circuit, pokazując ewolucję, którą obserwowalibyśmy bez użycia zwiększonej liczby kroków Trottera. Będziemy odwoływać się do tego układu jako aqc_comparison_circuit.

• Układ referencyjny: Ten układ służy jako punkt odniesienia do uzyskania dokładnego wyniku. Symuluje pełną ewolucję z użyciem sieci tensorowych w celu obliczenia dokładnego wyniku, dostarczając odniesienia do oceny skuteczności AQC-Tensor. Będziemy odwoływać się do tego układu jako reference_circuit.

# Generate the AQC comparison circuit
aqc_comparison_num_trotter_steps = int(
    subsequent_num_trotter_steps
    / subsequent_evolution_time
    * aqc_evolution_time
)
print(
    "Number of Trotter steps for comparison:",
    aqc_comparison_num_trotter_steps,
)

aqc_comparison_circuit = generate_time_evolution_circuit(
    hamiltonian,
    synthesis=SuzukiTrotter(reps=aqc_comparison_num_trotter_steps),
    time=aqc_evolution_time,
)

Number of Trotter steps for comparison: 3

# Generate the reference circuit
evolution_time = 0.4
reps = 200

reference_circuit = initial_state.copy()
reference_circuit.compose(
    generate_time_evolution_circuit(
        hamiltonian,
        synthesis=SuzukiTrotter(reps=reps),
        time=evolution_time,
    ),
    inplace=True,
)

Generowanie ansatzu i parametrów początkowych z układu Trottera z mniejszą liczbą kroków

Teraz, gdy skonstruowaliśmy nasze cztery układy, przejdźmy do przepływu pracy AQC-Tensor. Najpierw konstruujemy „dobry" układ, który ma ten sam czas ewolucji co układ docelowy, ale z mniejszą liczbą kroków Trottera (a tym samym mniejszą liczbą warstw).

Następnie przekazujemy ten „dobry" układ do funkcji generate_ansatz_from_circuit z AQC-Tensor. Ta funkcja analizuje łączność dwu-Qubitową układu i zwraca dwie rzeczy:

1. Ogólny, sparametryzowany układ ansatz o tej samej łączności dwu-Qubitowej co układ wejściowy.
2. Parametry, które po podstawieniu do ansatzu dają układ wejściowy (dobry).

Wkrótce weźmiemy te parametry i będziemy je iteracyjnie dostosowywać, aby przybliżyć układ ansatz jak najbliżej docelowego MPS.

aqc_ansatz_num_trotter_steps = 1

aqc_good_circuit = initial_state.copy()
aqc_good_circuit.compose(
    generate_time_evolution_circuit(
        hamiltonian,
        synthesis=SuzukiTrotter(reps=aqc_ansatz_num_trotter_steps),
        time=aqc_evolution_time,
    ),
    inplace=True,
)

aqc_ansatz, aqc_initial_parameters = generate_ansatz_from_circuit(
    aqc_good_circuit
)
aqc_ansatz.draw("mpl", fold=-1)

print(f"AQC Comparison circuit: depth {aqc_comparison_circuit.depth()}")
print(f"Target circuit:         depth {aqc_target_circuit.depth()}")
print(
    f"Ansatz circuit:         depth {aqc_ansatz.depth()}, with {len(aqc_initial_parameters)} parameters"
)

AQC Comparison circuit: depth 36
Target circuit:         depth 385
Ansatz circuit:         depth 7, with 156 parameters

Wybór ustawień symulacji sieci tensorowej

Tutaj używamy symulatora układu stanu iloczynu macierzowego Quimb, wraz z jax do dostarczania gradientu.

simulator_settings = QuimbSimulator(
    quimb.tensor.CircuitMPS, autodiff_backend="jax"
)

Następnie budujemy reprezentację MPS stanu docelowego, który będzie aproksymowany za pomocą AQC-Tensor. Ta reprezentacja umożliwia wydajne obsługiwanie splątania, zapewniając zwartą reprezentację stanu kwantowego do dalszej optymalizacji.

aqc_target_mps = tensornetwork_from_circuit(
    aqc_target_circuit, simulator_settings
)
print("Target MPS maximum bond dimension:", aqc_target_mps.psi.max_bond())

# Obtains the reference MPS, where we can obtain the exact expectation value by examining the `local_expectation``
reference_mps = tensornetwork_from_circuit(
    reference_circuit, simulator_settings
)
reference_expval = reference_mps.local_expectation(
    quimb.pauli("Z") & quimb.pauli("Z"), (L // 2 - 1, L // 2)
).real.item()
print("Reference MPS maximum bond dimension:", reference_mps.psi.max_bond())

Target MPS maximum bond dimension: 5
Reference MPS maximum bond dimension: 7

Zauważ, że wybierając większą liczbę kroków Trottera dla stanu docelowego, skutecznie zredukowaliśmy jego błąd Trottera w porównaniu z wyjściowym układem. Możemy ocenić wierność ($|\langle \psi_1 | \psi_2 \rangle|^2$) między stanem przygotowanym przez wyjściowy układ a stanem docelowym, aby skwantyfikować tę różnicę.

good_mps = tensornetwork_from_circuit(aqc_good_circuit, simulator_settings)
starting_fidelity = abs(compute_overlap(good_mps, aqc_target_mps)) ** 2
print("Starting fidelity:", starting_fidelity)

Starting fidelity: 0.9982464959067222

Optymalizacja parametrów ansatzu za pomocą obliczeń MPS

W tym kroku optymalizujemy parametry ansatzu, minimalizując prostą funkcję kosztu MaximizeStateFidelity, używając optymalizatora L-BFGS z SciPy. Wybieramy kryterium zatrzymania dla wierności, które zapewnia jej przekroczenie wierności wyjściowego układu bez AQC-Tensor. Po osiągnięciu tego progu, skompresowany układ będzie charakteryzował się zarówno mniejszym błędem Trottera, jak i zredukowaną głębokością w porównaniu z oryginalnym układem. Używając dodatkowego czasu CPU, dalsza optymalizacja może kontynuować zwiększanie wierności.

# Setting values for the optimization
aqc_stopping_fidelity = 1
aqc_max_iterations = 500

stopping_point = 1.0 - aqc_stopping_fidelity
objective = MaximizeStateFidelity(
    aqc_target_mps, aqc_ansatz, simulator_settings
)

def callback(intermediate_result: OptimizeResult):
    fidelity = 1 - intermediate_result.fun
    print(
        f"{datetime.datetime.now()} Intermediate result: Fidelity {fidelity:.8f}"
    )
    if intermediate_result.fun < stopping_point:
        # Good enough for now
        raise StopIteration

result = minimize(
    objective,
    aqc_initial_parameters,
    method="L-BFGS-B",
    jac=True,
    options={"maxiter": aqc_max_iterations},
    callback=callback,
)
if (
    result.status
    not in (
        0,
        1,
        99,
    )
):  # 0 => success; 1 => max iterations reached; 99 => early termination via StopIteration
    raise RuntimeError(
        f"Optimization failed: {result.message} (status={result.status})"
    )

print(f"Done after {result.nit} iterations.")
aqc_final_parameters = result.x

2025-04-14 11:46:52.174235 Intermediate result: Fidelity 0.99795851
2025-04-14 11:46:52.218249 Intermediate result: Fidelity 0.99822826
2025-04-14 11:46:52.280924 Intermediate result: Fidelity 0.99829675
2025-04-14 11:46:52.356214 Intermediate result: Fidelity 0.99832474
2025-04-14 11:46:52.411609 Intermediate result: Fidelity 0.99836131
2025-04-14 11:46:52.453747 Intermediate result: Fidelity 0.99839954
2025-04-14 11:46:52.496184 Intermediate result: Fidelity 0.99846517
2025-04-14 11:46:52.542046 Intermediate result: Fidelity 0.99865029
2025-04-14 11:46:52.583679 Intermediate result: Fidelity 0.99872332
2025-04-14 11:46:52.628732 Intermediate result: Fidelity 0.99892359
2025-04-14 11:46:52.690386 Intermediate result: Fidelity 0.99900640
2025-04-14 11:46:52.759398 Intermediate result: Fidelity 0.99907169
2025-04-14 11:46:52.819496 Intermediate result: Fidelity 0.99911423
2025-04-14 11:46:52.884505 Intermediate result: Fidelity 0.99918716
2025-04-14 11:46:52.947919 Intermediate result: Fidelity 0.99921278
2025-04-14 11:46:53.012808 Intermediate result: Fidelity 0.99924853
2025-04-14 11:46:53.083626 Intermediate result: Fidelity 0.99928797
2025-04-14 11:46:53.153235 Intermediate result: Fidelity 0.99933028
2025-04-14 11:46:53.221371 Intermediate result: Fidelity 0.99935757
2025-04-14 11:46:53.286211 Intermediate result: Fidelity 0.99938140
2025-04-14 11:46:53.352391 Intermediate result: Fidelity 0.99940964
2025-04-14 11:46:53.420472 Intermediate result: Fidelity 0.99944051
2025-04-14 11:46:53.486279 Intermediate result: Fidelity 0.99946828
2025-04-14 11:46:53.552338 Intermediate result: Fidelity 0.99948723
2025-04-14 11:46:53.618688 Intermediate result: Fidelity 0.99951011
2025-04-14 11:46:53.690878 Intermediate result: Fidelity 0.99954718
2025-04-14 11:46:53.762725 Intermediate result: Fidelity 0.99956267
2025-04-14 11:46:53.829784 Intermediate result: Fidelity 0.99958949
2025-04-14 11:46:53.897477 Intermediate result: Fidelity 0.99960498
2025-04-14 11:46:53.954633 Intermediate result: Fidelity 0.99961308
2025-04-14 11:46:54.010125 Intermediate result: Fidelity 0.99962894
2025-04-14 11:46:54.064717 Intermediate result: Fidelity 0.99964121
2025-04-14 11:46:54.118892 Intermediate result: Fidelity 0.99964348
2025-04-14 11:46:54.183236 Intermediate result: Fidelity 0.99964860
2025-04-14 11:46:54.245521 Intermediate result: Fidelity 0.99965695
2025-04-14 11:46:54.305792 Intermediate result: Fidelity 0.99966398
2025-04-14 11:46:54.355819 Intermediate result: Fidelity 0.99967816
2025-04-14 11:46:54.409580 Intermediate result: Fidelity 0.99968293
2025-04-14 11:46:54.457979 Intermediate result: Fidelity 0.99968936
2025-04-14 11:46:54.505891 Intermediate result: Fidelity 0.99969223
2025-04-14 11:46:54.551084 Intermediate result: Fidelity 0.99970009
2025-04-14 11:46:54.601817 Intermediate result: Fidelity 0.99970724
2025-04-14 11:46:54.650097 Intermediate result: Fidelity 0.99970987
2025-04-14 11:46:54.714727 Intermediate result: Fidelity 0.99971237
2025-04-14 11:46:54.780052 Intermediate result: Fidelity 0.99971916
2025-04-14 11:46:54.871994 Intermediate result: Fidelity 0.99971940
2025-04-14 11:46:54.958244 Intermediate result: Fidelity 0.99972465
2025-04-14 11:46:55.011057 Intermediate result: Fidelity 0.99972763
2025-04-14 11:46:55.175339 Intermediate result: Fidelity 0.99972894
2025-04-14 11:46:56.688912 Intermediate result: Fidelity 0.99972894
Done after 50 iterations.

parameters = [float(param) for param in aqc_final_parameters]
print("Final parameters:", parameters)

Final parameters: [-7.853983035039254, 1.5707966468427772, 1.5707962768868613, -1.570798010835122, 1.570794480409574, 1.5707972214146968, -1.570796593027083, 1.5707968206822998, -1.5707959018046258, -1.5707991700969144, 1.5707965852600927, 4.712386891737442, -7.853980840717957, 1.5707967508132654, 1.5707943162503217, -1.5707955382023582, 1.5707958007156742, 1.570796096113293, -1.5707928509846847, 1.5707971042943747, -1.570797909276557, -1.5707941020637393, 1.5707980179540793, 4.712389823219363, -1.5707928752386107, 1.5707996426312891, -1.5707975640471001, -1.570794132802984, 1.5707944361599957, 4.712390747060803, 0.1048818190315936, 0.06686710468840577, -0.0668645844756557, -3.1415923537135466, 1.2374931269696063, 6.323169390432535e-07, 3.53229204771738e-08, 2.1091105688681484, 6.283186439944202, 0.12152258846156239, 0.07961752617254866, -0.07961775088604585, -1.6564278051174865e-06, 2.0771163596472384, 3.141592651630471, -6.283185775192653, 1.7691609006726954, 3.1415922910116216, 0.19837572065074083, 0.11114901449078964, -0.11115124544944892, -3.141591983034976, 0.8570788408766729, 4.201601390404146e-07, -3.141593736550978, 0.34652010942396333, 6.283186232785291, 0.13606356527241956, 0.03891676349289617, -0.03891524189533726, -1.5707965732853424, 1.5707968967088564, -0.3086133992238162, 1.5707957152428194, 1.5707968398959653, -0.32062737993080026, 0.11027416939993417, 0.0726167290795046, -0.07262020423334464, -2.3729431959735024e-06, 1.8204437429254703, 9.299060301196612e-07, -3.141592899563451, 2.103269568939461, 3.1415937539734626, 0.11536891854817125, 0.09099022308254198, -0.09098864958606581, -3.1415913307373127, 2.078429034357281, -1.509777998069368e-06, -3.1415922600663255, 1.5189162645358172, -3.1415878461323583, 0.09999070991480716, 0.04352011445148391, -0.04351849541849812, -1.570797642506462, 1.570795238023824, 0.8903442644396505, 1.5707962698006606, 1.5707946765132268, 0.9098791754570567, 0.10448284343424026, 0.07317037684936827, -0.07316718173961152, -3.141592682240966, 2.1665363080039612, -7.450882112394189e-07, -5.771181304929921e-07, 2.615334999517103, -3.1415914971653898, 0.1890887078648001, 0.13578163074571992, -0.13578078143610256, 7.156734195912883e-07, 1.7915385305413096, -5.188866034727312e-07, 1.2827742939197711e-06, 1.2348316581417487, 6.28318357406372, 0.08061187643781703, 0.03820789039271876, -0.03820731868804904, 1.5707964027727628, 1.570798734462218, 4.387336153720882, -1.570795722044763, 1.570798457375325, 4.450361734163248, 0.092360147257953, 0.06047700345049011, -0.06048592856713045, -3.141591214829027, 2.6593289993286047, -2.366937342261038e-07, 8.112162974032695e-08, 1.8907014631413432, 8.355881261853104e-07, 0.23303641819370874, 0.14331998953606456, -0.1433194488304741, -3.141591621822901, 0.7455776479558791, 3.1415914520163586, -3.1415933560496105, 0.7603938554148255, -1.6230983177616282e-06, 0.07186349688535713, 0.03197144517771341, -0.031971177878588546, -4.712389048748508, 1.5707948403165752, 1.2773619319829186, -1.5707990802172127, 1.5707957676951863, 1.289083769394045, 0.13644999397718796, 0.032761460443590046, -0.032762060585195645, -1.5707977610073176, 1.5707964181578042, -3.4826435600366983, -4.712389691708343, 1.570794277502252, 2.799088046133275]

W tym momencie wystarczy znaleźć ostateczne parametry układu ansatz. Następnie możemy scalić zoptymalizowany układ AQC z pozostałym układem ewolucji, aby stworzyć kompletny układ ewolucji w czasie do wykonania na sprzęcie kwantowym.

aqc_final_circuit = aqc_ansatz.assign_parameters(aqc_final_parameters)
aqc_final_circuit.compose(subsequent_circuit, inplace=True)
aqc_final_circuit.draw("mpl", fold=-1)

Musimy również scalić nasz aqc_comparison_circuit z pozostałym układem ewolucji. Ten układ będzie używany do porównania wydajności układu zoptymalizowanego za pomocą AQC-Tensor z oryginalnym układem.

aqc_comparison_circuit.compose(subsequent_circuit, inplace=True)
aqc_comparison_circuit.draw("mpl", fold=-1)

Krok 2: Optymalizacja problemu pod kątem wykonania na sprzęcie kwantowym

Wybierz sprzęt. Tutaj użyjemy dowolnego dostępnego urządzenia IBM Quantum® z co najmniej 127 Qubitami.

service = QiskitRuntimeService()
backend = service.least_busy(min_num_qubits=127)
print(backend)

Transpilujemy PUBs (układy i obserwable), aby dopasować je do Backend ISA (Instruction Set Architecture). Ustawiając optimization_level=3, Transpiler optymalizuje układ tak, aby pasował do jednowymiarowego łańcucha Qubitów, zmniejszając szum wpływający na wierność układu. Po przekształceniu układów do formatu zgodnego z Backend, stosujemy odpowiadające przekształcenie do obserwabli, aby zapewnić ich zgodność ze zmodyfikowanym układem Qubitów.

pass_manager = generate_preset_pass_manager(
    backend=backend, optimization_level=3
)
isa_circuit = pass_manager.run(aqc_final_circuit)
isa_observable = observable.apply_layout(isa_circuit.layout)
print("Observable info:", isa_observable)
print("Circuit depth:", isa_circuit.depth())
isa_circuit.draw("mpl", fold=-1, idle_wires=False)

Observable info: SparsePauliOp(['IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZ'],
              coeffs=[1.+0.j])
Circuit depth: 111

Przeprowadź transpilację dla układu porównawczego.

isa_comparison_circuit = pass_manager.run(aqc_comparison_circuit)
isa_comparison_observable = observable.apply_layout(
    isa_comparison_circuit.layout
)
print("Observable info:", isa_comparison_observable)
print("Circuit depth:", isa_comparison_circuit.depth())
isa_comparison_circuit.draw("mpl", fold=-1, idle_wires=False)

Observable info: SparsePauliOp(['IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZ'],
              coeffs=[1.+0.j])
Circuit depth: 158

Krok 3: Wykonanie z użyciem prymitywów Qiskit

W tym kroku wykonujemy transpilowany układ na sprzęcie kwantowym (lub symulowanym Backend). Używając klasy EstimatorV2 z qiskit_ibm_runtime, konfigurujemy Estimator do uruchomienia układu i pomiaru określonej obserwabli. Wynik zadania dostarcza oczekiwanego wyniku dla obserwabli, dając nam wgląd w wydajność układu na docelowym sprzęcie.

estimator = Estimator(backend)
job = estimator.run([(isa_circuit, isa_observable)])
print("Job ID:", job.job_id())
job.result()

Job ID: czyhqdxd8drg008hx0yg

PrimitiveResult([PubResult(data=DataBin(evs=np.ndarray(<shape=(), dtype=float64>), stds=np.ndarray(<shape=(), dtype=float64>), ensemble_standard_error=np.ndarray(<shape=(), dtype=float64>)), metadata={'shots': 4096, 'target_precision': 0.015625, 'circuit_metadata': {}, 'resilience': {}, 'num_randomizations': 32})], metadata={'dynamical_decoupling': {'enable': False, 'sequence_type': 'XX', 'extra_slack_distribution': 'middle', 'scheduling_method': 'alap'}, 'twirling': {'enable_gates': False, 'enable_measure': True, 'num_randomizations': 'auto', 'shots_per_randomization': 'auto', 'interleave_randomizations': True, 'strategy': 'active-accum'}, 'resilience': {'measure_mitigation': True, 'zne_mitigation': False, 'pec_mitigation': False}, 'version': 2})

Przeprowadź wykonanie dla układu porównawczego.

job_comparison = estimator.run([(isa_comparison_circuit, isa_observable)])
print("Job Comparison ID:", job.job_id())
job_comparison.result()

Job Comparison ID: czyhqdxd8drg008hx0yg

PrimitiveResult([PubResult(data=DataBin(evs=np.ndarray(<shape=(), dtype=float64>), stds=np.ndarray(<shape=(), dtype=float64>), ensemble_standard_error=np.ndarray(<shape=(), dtype=float64>)), metadata={'shots': 4096, 'target_precision': 0.015625, 'circuit_metadata': {}, 'resilience': {}, 'num_randomizations': 32})], metadata={'dynamical_decoupling': {'enable': False, 'sequence_type': 'XX', 'extra_slack_distribution': 'middle', 'scheduling_method': 'alap'}, 'twirling': {'enable_gates': False, 'enable_measure': True, 'num_randomizations': 'auto', 'shots_per_randomization': 'auto', 'interleave_randomizations': True, 'strategy': 'active-accum'}, 'resilience': {'measure_mitigation': True, 'zne_mitigation': False, 'pec_mitigation': False}, 'version': 2})

Krok 4: Przetwarzanie końcowe i zwracanie wyników w pożądanym formacie klasycznym

W tym przypadku rekonstrukcja nie jest konieczna. Możemy bezpośrednio sprawdzić wynik, uzyskując dostęp do wartości oczekiwanej z danych wyjściowych wykonania.

# AQC results
hw_results = job.result()
hw_results_dicts = [pub_result.data.__dict__ for pub_result in hw_results]
hw_expvals = [
    pub_result_data["evs"].tolist() for pub_result_data in hw_results_dicts
]
aqc_expval = hw_expvals[0]

# AQC comparison results
hw_comparison_results = job_comparison.result()
hw_comparison_results_dicts = [
    pub_result.data.__dict__ for pub_result in hw_comparison_results
]
hw_comparison_expvals = [
    pub_result_data["evs"].tolist()
    for pub_result_data in hw_comparison_results_dicts
]
aqc_compare_expval = hw_comparison_expvals[0]

print(f"Exact:         \t{reference_expval:.4f}")
print(
    f"AQC:           \t{aqc_expval:.4f}, |∆| = {np.abs(reference_expval- aqc_expval):.4f}"
)
print(
    f"AQC Comparison:\t{aqc_compare_expval:.4f}, |∆| = {np.abs(reference_expval- aqc_compare_expval):.4f}"
)

Exact:         	-0.5252
AQC:           	-0.4903, |∆| = 0.0349
AQC Comparison:	0.5424, |∆| = 1.0676

Wykres słupkowy porównujący wyniki układów AQC, porównawczego i dokładnego.

plt.style.use("seaborn-v0_8")

labels = ["AQC Result", "AQC Comparison Result"]
values = [abs(aqc_expval), abs(aqc_compare_expval)]

plt.figure(figsize=(10, 6))
bars = plt.bar(labels, values, color=["tab:blue", "tab:purple"])
plt.axhline(
    y=abs(reference_expval), color="red", linestyle="--", label="Exact Result"
)
plt.xlabel("Results")
plt.ylabel("Absolute Expected Value")
plt.title("AQC Result vs AQC Comparison Result (Absolute Values)")
plt.legend()
for bar in bars:
    y_val = bar.get_height()
    plt.text(
        bar.get_x() + bar.get_width() / 2.0,
        y_val,
        round(y_val, 2),
        va="bottom",
    )
plt.show()

Część II: skalowanie

Druga część tego samouczka rozbudowuje poprzedni przykład, skalując problem do większego układu złożonego z 50 węzłów, co ilustruje, jak odwzorowywać bardziej złożone kwantowe problemy symulacyjne na wykonywalne kwantowe obwody. Badamy tutaj dynamikę modelu XXZ z 50 węzłami, co pozwala nam zbudować i zoptymalizować rozległy Circuit kwantowy odzwierciedlający bardziej realistyczne rozmiary układów.

Hamiltonian dla naszego modelu XXZ z 50 węzłami jest zdefiniowany jako:

$$\hat{\mathcal{H}}_{XXZ} = \sum_{i=1}^{L-1} J_{i,(i+1)}\left(X_i X_{(i+1)}+Y_i Y_{(i+1)}+ 2\cdot Z_i Z_{(i+1)} \right) \, ,$$

gdzie $J_{i,(i+1)}$ jest losowym współczynnikiem odpowiadającym krawędzi $(i, i+1)$, a $L=50$ to liczba węzłów. Zdefiniuj mapę sprzężeń i krawędzie dla Hamiltonianu.

L = 50  # L = length of our 1D spin chain

# Generate the edge list for this spin-chain
edge_list = [(i - 1, i) for i in range(1, L)]
# Generate an edge-coloring so we can make hw-efficient circuits
even_edges = edge_list[::2]
odd_edges = edge_list[1::2]

# Instantiate a CouplingMap object
coupling_map = CouplingMap(edge_list)

# Generate random coefficients for our XXZ Hamiltonian
np.random.seed(0)
Js = np.random.rand(L - 1) + 0.5 * np.ones(L - 1)

hamiltonian = SparsePauliOp(Pauli("I" * L))
for i, edge in enumerate(even_edges + odd_edges):
    hamiltonian += SparsePauliOp.from_sparse_list(
        [
            ("XX", (edge), Js[i] / 2),
            ("YY", (edge), Js[i] / 2),
            ("ZZ", (edge), Js[i]),
        ],
        num_qubits=L,
    )

observable = SparsePauliOp.from_sparse_list(
    [("ZZ", (L // 2 - 1, L // 2), 1.0)], num_qubits=L
)

# Generate an initial state
L = hamiltonian.num_qubits
initial_state = QuantumCircuit(L)
for i in range(L):
    if i % 2:
        initial_state.x(i)

Krok 1: Odwzorowanie klasycznych danych wejściowych na problem kwantowy

W przypadku tego większego problemu zaczynamy od skonstruowania Hamiltonianu dla modelu XXZ z 50 węzłami, definiując oddziaływania spin-spin i zewnętrzne pola magnetyczne we wszystkich węzłach. Następnie wykonujemy trzy główne kroki:

1. Wygeneruj zoptymalizowany Circuit AQC: Użyj metody Trotteryzacji do przybliżenia początkowej ewolucji, a następnie skompresuj ten segment, aby zmniejszyć głębokość Circuit.
2. Utwórz Circuit dla pozostałej ewolucji czasowej: Uuchwyć pozostałą ewolucję czasową poza segmentem początkowym.
3. Połącz Circuity: Scal zoptymalizowany Circuit AQC z Circuit pozostałej ewolucji, aby uzyskać kompletny Circuit ewolucji czasowej gotowy do wykonania. Wygeneruj docelowy Circuit AQC (segment początkowy).

aqc_evolution_time = 0.2
aqc_target_num_trotter_steps = 32

aqc_target_circuit = initial_state.copy()
aqc_target_circuit.compose(
    generate_time_evolution_circuit(
        hamiltonian,
        synthesis=SuzukiTrotter(reps=aqc_target_num_trotter_steps),
        time=aqc_evolution_time,
    ),
    inplace=True,
)

Wygeneruj kolejny Circuit (pozostały segment).

subsequent_num_trotter_steps = 3
subsequent_evolution_time = 0.2

subsequent_circuit = generate_time_evolution_circuit(
    hamiltonian,
    synthesis=SuzukiTrotter(reps=subsequent_num_trotter_steps),
    time=subsequent_evolution_time,
)

Wygeneruj Circuit porównawczy AQC (segment początkowy, ale z taką samą liczbą kroków Trottera jak Circuit kolejny).

# Generate the AQC comparison circuit
aqc_comparison_num_trotter_steps = int(
    subsequent_num_trotter_steps
    / subsequent_evolution_time
    * aqc_evolution_time
)
print(
    "Number of Trotter steps for comparison:",
    aqc_comparison_num_trotter_steps,
)

aqc_comparison_circuit = generate_time_evolution_circuit(
    hamiltonian,
    synthesis=SuzukiTrotter(reps=aqc_comparison_num_trotter_steps),
    time=aqc_evolution_time,
)

Number of Trotter steps for comparison: 3

Wygeneruj Circuit referencyjny.

evolution_time = 0.4
reps = 200

reference_circuit = initial_state.copy()
reference_circuit.compose(
    generate_time_evolution_circuit(
        hamiltonian,
        synthesis=SuzukiTrotter(reps=reps),
        time=evolution_time,
    ),
    inplace=True,
)

Wygeneruj ansatz i parametry początkowe na podstawie Circuit Trottera z mniejszą liczbą kroków.

aqc_ansatz_num_trotter_steps = 1

aqc_good_circuit = initial_state.copy()
aqc_good_circuit.compose(
    generate_time_evolution_circuit(
        hamiltonian,
        synthesis=SuzukiTrotter(reps=aqc_ansatz_num_trotter_steps),
        time=aqc_evolution_time,
    ),
    inplace=True,
)

aqc_ansatz, aqc_initial_parameters = generate_ansatz_from_circuit(
    aqc_good_circuit
)

print(f"AQC Comparison circuit: depth {aqc_comparison_circuit.depth()}")
print(f"Target circuit:         depth {aqc_target_circuit.depth()}")
print(
    f"Ansatz circuit:         depth {aqc_ansatz.depth()}, with {len(aqc_initial_parameters)} parameters"
)

AQC Comparison circuit: depth 36
Target circuit:         depth 385
Ansatz circuit:         depth 7, with 816 parameters

Ustaw ustawienia dla symulacji sieci tensorowych, a następnie skonstruuj reprezentację stanu docelowego w postaci iloczynu macierzowego (MPS) na potrzeby optymalizacji. Następnie oceń wierność między Circuit początkowym a stanem docelowym, aby określić różnicę w błędzie Trottera.

simulator_settings = QuimbSimulator(
    quimb.tensor.CircuitMPS, autodiff_backend="jax"
)

# Build the matrix-product representation of the state to be approximated by AQC
aqc_target_mps = tensornetwork_from_circuit(
    aqc_target_circuit, simulator_settings
)
print("Target MPS maximum bond dimension:", aqc_target_mps.psi.max_bond())

# Obtains the reference MPS, where we can obtain the exact expectation value by examining the `local_expectation``
reference_mps = tensornetwork_from_circuit(
    reference_circuit, simulator_settings
)
reference_expval = reference_mps.local_expectation(
    quimb.pauli("Z") & quimb.pauli("Z"), (L // 2 - 1, L // 2)
).real.item()

# Compute the starting fidelity
good_mps = tensornetwork_from_circuit(aqc_good_circuit, simulator_settings)
starting_fidelity = abs(compute_overlap(good_mps, aqc_target_mps)) ** 2
print("Starting fidelity:", starting_fidelity)

Target MPS maximum bond dimension: 5
Starting fidelity: 0.9926466919924161

Aby zoptymalizować parametry ansatzu, minimalizujemy funkcję kosztu MaximizeStateFidelity za pomocą optymalizatora L-BFGS z biblioteki SciPy, z kryterium zatrzymania ustawionym na przekroczenie wierności Circuit początkowego bez AQC-Tensor. Zapewnia to, że skompresowany Circuit ma zarówno mniejszy błąd Trottera, jak i mniejszą głębokość.

# Setting values for the optimization
aqc_stopping_fidelity = 1
aqc_max_iterations = 500

stopping_point = 1.0 - aqc_stopping_fidelity
objective = MaximizeStateFidelity(
    aqc_target_mps, aqc_ansatz, simulator_settings
)

def callback(intermediate_result: OptimizeResult):
    fidelity = 1 - intermediate_result.fun
    print(
        f"{datetime.datetime.now()} Intermediate result: Fidelity {fidelity:.8f}"
    )
    if intermediate_result.fun < stopping_point:
        # Good enough for now
        raise StopIteration

result = minimize(
    objective,
    aqc_initial_parameters,
    method="L-BFGS-B",
    jac=True,
    options={"maxiter": aqc_max_iterations},
    callback=callback,
)
if (
    result.status
    not in (
        0,
        1,
        99,
    )
):  # 0 => success; 1 => max iterations reached; 99 => early termination via StopIteration
    raise RuntimeError(
        f"Optimization failed: {result.message} (status={result.status})"
    )

print(f"Done after {result.nit} iterations.")
aqc_final_parameters = result.x

2025-04-14 11:48:28.705807 Intermediate result: Fidelity 0.99795851
2025-04-14 11:48:28.743265 Intermediate result: Fidelity 0.99822826
2025-04-14 11:48:28.776629 Intermediate result: Fidelity 0.99829675
2025-04-14 11:48:28.816153 Intermediate result: Fidelity 0.99832474
2025-04-14 11:48:28.856437 Intermediate result: Fidelity 0.99836131
2025-04-14 11:48:28.896432 Intermediate result: Fidelity 0.99839954
2025-04-14 11:48:28.936670 Intermediate result: Fidelity 0.99846517
2025-04-14 11:48:28.982069 Intermediate result: Fidelity 0.99865029
2025-04-14 11:48:29.026130 Intermediate result: Fidelity 0.99872332
2025-04-14 11:48:29.067426 Intermediate result: Fidelity 0.99892359
2025-04-14 11:48:29.110742 Intermediate result: Fidelity 0.99900640
2025-04-14 11:48:29.161362 Intermediate result: Fidelity 0.99907169
2025-04-14 11:48:29.207933 Intermediate result: Fidelity 0.99911423
2025-04-14 11:48:29.266772 Intermediate result: Fidelity 0.99918716
2025-04-14 11:48:29.331727 Intermediate result: Fidelity 0.99921278
2025-04-14 11:48:29.401694 Intermediate result: Fidelity 0.99924853
2025-04-14 11:48:29.467980 Intermediate result: Fidelity 0.99928797
2025-04-14 11:48:29.533281 Intermediate result: Fidelity 0.99933028
2025-04-14 11:48:29.600833 Intermediate result: Fidelity 0.99935757
2025-04-14 11:48:29.670816 Intermediate result: Fidelity 0.99938140
2025-04-14 11:48:29.736928 Intermediate result: Fidelity 0.99940964
2025-04-14 11:48:29.802931 Intermediate result: Fidelity 0.99944051
2025-04-14 11:48:29.869177 Intermediate result: Fidelity 0.99946828
2025-04-14 11:48:29.940156 Intermediate result: Fidelity 0.99948723
2025-04-14 11:48:30.005751 Intermediate result: Fidelity 0.99951011
2025-04-14 11:48:30.070853 Intermediate result: Fidelity 0.99954718
2025-04-14 11:48:30.139171 Intermediate result: Fidelity 0.99956267
2025-04-14 11:48:30.210506 Intermediate result: Fidelity 0.99958949
2025-04-14 11:48:30.279647 Intermediate result: Fidelity 0.99960498
2025-04-14 11:48:30.348016 Intermediate result: Fidelity 0.99961308
2025-04-14 11:48:30.414311 Intermediate result: Fidelity 0.99962894
2025-04-14 11:48:30.488910 Intermediate result: Fidelity 0.99964121
2025-04-14 11:48:30.561298 Intermediate result: Fidelity 0.99964348
2025-04-14 11:48:30.632214 Intermediate result: Fidelity 0.99964860
2025-04-14 11:48:30.705703 Intermediate result: Fidelity 0.99965695
2025-04-14 11:48:30.775679 Intermediate result: Fidelity 0.99966398
2025-04-14 11:48:30.842629 Intermediate result: Fidelity 0.99967816
2025-04-14 11:48:30.912357 Intermediate result: Fidelity 0.99968293
2025-04-14 11:48:30.979420 Intermediate result: Fidelity 0.99968936
2025-04-14 11:48:31.049196 Intermediate result: Fidelity 0.99969223
2025-04-14 11:48:31.125391 Intermediate result: Fidelity 0.99970009
2025-04-14 11:48:31.201256 Intermediate result: Fidelity 0.99970724
2025-04-14 11:48:31.272424 Intermediate result: Fidelity 0.99970987
2025-04-14 11:48:31.338907 Intermediate result: Fidelity 0.99971237
2025-04-14 11:48:31.404800 Intermediate result: Fidelity 0.99971916
2025-04-14 11:48:31.475226 Intermediate result: Fidelity 0.99971940
2025-04-14 11:48:31.547746 Intermediate result: Fidelity 0.99972465
2025-04-14 11:48:31.622827 Intermediate result: Fidelity 0.99972763
2025-04-14 11:48:31.819516 Intermediate result: Fidelity 0.99972894
2025-04-14 11:48:33.444538 Intermediate result: Fidelity 0.99972894
Done after 50 iterations.

parameters = [float(param) for param in aqc_final_parameters]

Skonstruuj finalny Circuit do transpilacji, łącząc zoptymalizowany ansatz z Circuit pozostałej ewolucji czasowej.

aqc_final_circuit = aqc_ansatz.assign_parameters(aqc_final_parameters)
aqc_final_circuit.compose(subsequent_circuit, inplace=True)

aqc_comparison_circuit.compose(subsequent_circuit, inplace=True)

Krok 2: Optymalizacja problemu pod kątem wykonania na sprzęcie kwantowym

Wybierz Backend.

service = QiskitRuntimeService()
backend = service.least_busy(min_num_qubits=127)
print(backend)

Transpiluj ukończony Circuit na docelowym sprzęcie, przygotowując go do wykonania. Wynikowy układ ISA można następnie wysłać do wykonania na Backend.

pass_manager = generate_preset_pass_manager(
    backend=backend, optimization_level=3
)
isa_circuit = pass_manager.run(aqc_final_circuit)
isa_observable = observable.apply_layout(isa_circuit.layout)
print("Observable info:", isa_observable)
print("Circuit depth:", isa_circuit.depth())
isa_circuit.draw("mpl", fold=-1, idle_wires=False)

Observable info: SparsePauliOp(['IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII'],
              coeffs=[1.+0.j])
Circuit depth: 122

isa_comparison_circuit = pass_manager.run(aqc_comparison_circuit)
isa_comparison_observable = observable.apply_layout(
    isa_comparison_circuit.layout
)
print("Observable info:", isa_comparison_observable)
print("Circuit depth:", isa_comparison_circuit.depth())
isa_comparison_circuit.draw("mpl", fold=-1, idle_wires=False)

Observable info: SparsePauliOp(['IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII'],
              coeffs=[1.+0.j])
Circuit depth: 158

Krok 3: Wykonanie przy użyciu prymitywów Qiskit

W tym kroku uruchamiamy transpilowany Circuit na sprzęcie kwantowym (lub symulowanym Backend) przy użyciu EstimatorV2 z qiskit_ibm_runtime, aby zmierzyć określoną obserwowalną. Wynik zadania dostarczy cennych informacji na temat wydajności Circuit na docelowym sprzęcie.

W tym przykładzie na większą skalę zbadamy, jak wykorzystać EstimatorOptions do lepszego zarządzania parametrami eksperymentu sprzętowego i ich kontroli. Choć te ustawienia są opcjonalne, są przydatne do śledzenia parametrów eksperymentu i doprecyzowywania opcji wykonania w celu uzyskania optymalnych wyników.

Pełną listę dostępnych opcji wykonania znajdziesz w dokumentacji qiskit-ibm-runtime.

twirling_options = {
    "enable_gates": True,
    "enable_measure": True,
    "num_randomizations": 300,
    "shots_per_randomization": 100,
    "strategy": "active",
}

zne_options = {
    "amplifier": "gate_folding",
    "noise_factors": [1, 2, 3],
    "extrapolated_noise_factors": list(np.linspace(0, 3, 31)),
    "extrapolator": ["exponential", "linear", "fallback"],
}

meas_learning_options = {
    "num_randomizations": 512,
    "shots_per_randomization": 512,
}

resilience_options = {
    "measure_mitigation": True,
    "zne_mitigation": True,
    "zne": zne_options,
    "measure_noise_learning": meas_learning_options,
}

estimator_options = {
    "resilience": resilience_options,
    "twirling": twirling_options,
}

estimator = Estimator(backend, options=estimator_options)

job = estimator.run([(isa_circuit, isa_observable)])
print("Job ID:", job.job_id())
job.result()

Job ID: czyjx6crxz8g008f63r0

PrimitiveResult([PubResult(data=DataBin(evs=np.ndarray(<shape=(), dtype=float64>), stds=np.ndarray(<shape=(), dtype=float64>), evs_noise_factors=np.ndarray(<shape=(3,), dtype=float64>), stds_noise_factors=np.ndarray(<shape=(3,), dtype=float64>), ensemble_stds_noise_factors=np.ndarray(<shape=(3,), dtype=float64>), evs_extrapolated=np.ndarray(<shape=(3, 31), dtype=float64>), stds_extrapolated=np.ndarray(<shape=(3, 31), dtype=float64>)), metadata={'shots': 30000, 'target_precision': 0.005773502691896258, 'circuit_metadata': {}, 'resilience': {'zne': {'extrapolator': 'exponential'}}, 'num_randomizations': 300})], metadata={'dynamical_decoupling': {'enable': False, 'sequence_type': 'XX', 'extra_slack_distribution': 'middle', 'scheduling_method': 'alap'}, 'twirling': {'enable_gates': True, 'enable_measure': True, 'num_randomizations': 300, 'shots_per_randomization': 100, 'interleave_randomizations': True, 'strategy': 'active'}, 'resilience': {'measure_mitigation': True, 'zne_mitigation': True, 'pec_mitigation': False, 'zne': {'noise_factors': [1, 2, 3], 'extrapolator': ['exponential', 'linear', 'fallback'], 'extrapolated_noise_factors': [0, 0.1, 0.2, 0.30000000000000004, 0.4, 0.5, 0.6000000000000001, 0.7000000000000001, 0.8, 0.9, 1, 1.1, 1.2000000000000002, 1.3, 1.4000000000000001, 1.5, 1.6, 1.7000000000000002, 1.8, 1.9000000000000001, 2, 2.1, 2.2, 2.3000000000000003, 2.4000000000000004, 2.5, 2.6, 2.7, 2.8000000000000003, 2.9000000000000004, 3]}}, 'version': 2})

job_comparison = estimator.run([(isa_comparison_circuit, isa_observable)])
print("Job Comparison ID:", job.job_id())
job_comparison.result()

Job Comparison ID: czyjx6crxz8g008f63r0

PrimitiveResult([PubResult(data=DataBin(evs=np.ndarray(<shape=(), dtype=float64>), stds=np.ndarray(<shape=(), dtype=float64>), evs_noise_factors=np.ndarray(<shape=(3,), dtype=float64>), stds_noise_factors=np.ndarray(<shape=(3,), dtype=float64>), ensemble_stds_noise_factors=np.ndarray(<shape=(3,), dtype=float64>), evs_extrapolated=np.ndarray(<shape=(3, 31), dtype=float64>), stds_extrapolated=np.ndarray(<shape=(3, 31), dtype=float64>)), metadata={'shots': 30000, 'target_precision': 0.005773502691896258, 'circuit_metadata': {}, 'resilience': {'zne': {'extrapolator': 'exponential'}}, 'num_randomizations': 300})], metadata={'dynamical_decoupling': {'enable': False, 'sequence_type': 'XX', 'extra_slack_distribution': 'middle', 'scheduling_method': 'alap'}, 'twirling': {'enable_gates': True, 'enable_measure': True, 'num_randomizations': 300, 'shots_per_randomization': 100, 'interleave_randomizations': True, 'strategy': 'active'}, 'resilience': {'measure_mitigation': True, 'zne_mitigation': True, 'pec_mitigation': False, 'zne': {'noise_factors': [1, 2, 3], 'extrapolator': ['exponential', 'linear', 'fallback'], 'extrapolated_noise_factors': [0, 0.1, 0.2, 0.30000000000000004, 0.4, 0.5, 0.6000000000000001, 0.7000000000000001, 0.8, 0.9, 1, 1.1, 1.2000000000000002, 1.3, 1.4000000000000001, 1.5, 1.6, 1.7000000000000002, 1.8, 1.9000000000000001, 2, 2.1, 2.2, 2.3000000000000003, 2.4000000000000004, 2.5, 2.6, 2.7, 2.8000000000000003, 2.9000000000000004, 3]}}, 'version': 2})

Krok 4: Przetwarzanie końcowe i zwracanie wyniku w pożądanym formacie klasycznym

Tutaj, podobnie jak poprzednio, nie jest potrzebna żadna rekonstrukcja; możemy bezpośrednio uzyskać dostęp do wartości oczekiwanej z wyników wykonania, aby zbadać rezultat.

# AQC results
hw_results = job.result()
hw_results_dicts = [pub_result.data.__dict__ for pub_result in hw_results]
hw_expvals = [
    pub_result_data["evs"].tolist() for pub_result_data in hw_results_dicts
]
aqc_expval = hw_expvals[0]

# AQC comparison results
hw_comparison_results = job_comparison.result()
hw_comparison_results_dicts = [
    pub_result.data.__dict__ for pub_result in hw_comparison_results
]
hw_comparison_expvals = [
    pub_result_data["evs"].tolist()
    for pub_result_data in hw_comparison_results_dicts
]
aqc_compare_expval = hw_comparison_expvals[0]

print(f"Exact:         \t{reference_expval:.4f}")
print(
    f"AQC:           \t{aqc_expval:.4f}, |∆| = {np.abs(reference_expval- aqc_expval):.4f}"
)
print(
    f"AQC Comparison:\t{aqc_compare_expval:.4f}, |∆| = {np.abs(reference_expval- aqc_compare_expval):.4f}"
)

Exact:         	-0.5888
AQC:           	-0.4809, |∆| = 0.1078
AQC Comparison:	1.1764, |∆| = 1.7652

Narysuj wyniki układów AQC, porównawczego i dokładnego dla modelu XXZ z 50 węzłami.

labels = ["AQC Result", "AQC Comparison Result"]
values = [abs(aqc_expval), abs(aqc_compare_expval)]

plt.figure(figsize=(10, 6))
bars = plt.bar(labels, values, color=["tab:blue", "tab:purple"])
plt.axhline(
    y=abs(reference_expval), color="red", linestyle="--", label="Exact Result"
)
plt.xlabel("Results")
plt.ylabel("Absolute Expected Value")
plt.title("AQC Result vs AQC Comparison Result (Absolute Values)")
plt.legend()
for bar in bars:
    y_val = bar.get_height()
    plt.text(
        bar.get_x() + bar.get_width() / 2.0,
        y_val,
        round(y_val, 2),
        va="bottom",
    )

plt.show()

Podsumowanie

W tym samouczku pokazano, jak używać przybliżonej kompilacji kwantowej z sieciami tensorowymi (AQC-Tensor) do kompresji i optymalizacji układów służących do symulacji dynamiki kwantowej na dużą skalę. Korzystając zarówno z małego, jak i dużego modelu Heisenberga, zastosowaliśmy AQC-Tensor w celu zmniejszenia głębokości Circuit wymaganej dla trotteryzowanej ewolucji czasowej. Generując sparametryzowany ansatz z uproszczonego układu Trottera i optymalizując go za pomocą technik macierzowego stanu produktowego (MPS), uzyskaliśmy niskopoziomowe przybliżenie docelowej ewolucji, które jest zarówno dokładne, jak i wydajne.

Przedstawiony tutaj przepływ pracy podkreśla kluczowe zalety AQC-Tensor w skalowaniu symulacji kwantowych:

• Znacząca kompresja Circuit: AQC-Tensor zredukował głębokość Circuit potrzebną do złożonej ewolucji czasowej, zwiększając jej wykonalność na obecnych urządzeniach.
• Efektywna optymalizacja: Podejście MPS zapewniło solidne ramy do optymalizacji parametrów, równoważąc wierność z efektywnością obliczeniową.
• Wykonanie gotowe na sprzęt: Transpilacja ostatecznego zoptymalizowanego Circuit zapewniła spełnienie ograniczeń docelowego sprzętu kwantowego.

W miarę jak pojawiają się coraz większe urządzenia kwantowe i bardziej zaawansowane algorytmy, techniki takie jak AQC-Tensor staną się niezbędne do uruchamiania złożonych symulacji kwantowych na sprzęcie bliskim terminowi, demonstrując obiecujący postęp w zarządzaniu głębokością i wiernością skalowalnych zastosowań kwantowych.

Ankieta dotycząca samouczka

Wypełnij tę krótką ankietę, aby podzielić się opinią na temat tego samouczka. Twoje spostrzeżenia pomogą nam ulepszyć nasze treści i doświadczenie użytkownika.

Link do ankiety

Note: This survey is provided by IBM Quantum and relates to the original English content. To give feedback on doQumentation's website, translations, or code execution, please open a GitHub issue.