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Wsteczna propagacja operatora (OBP) do estymacji wartości oczekiwanych

Szacowany czas użycia: 16 minut na procesorze Eagle r3 (UWAGA: To jest jedynie szacunek. Rzeczywisty czas może się różnić.)

# Added by doQumentation — required packages for this notebook
!pip install -q matplotlib numpy qiskit qiskit-addon-obp qiskit-addon-utils qiskit-ibm-runtime rustworkx
# This cell is hidden from users;
# it disables linting rules.
# ruff: noqa

Tło​

Wsteczna propagacja operatora to technika polegająca na wchłanianiu operacji z końca Circuit kwantowego do mierzonej obserwowalnej, co generalnie zmniejsza głębokość Circuit kosztem dodatkowych składników obserwowalnej. Celem jest wsteczna propagacja możliwie dużej części Circuit bez dopuszczenia do nadmiernego wzrostu obserwowalnej. Implementacja oparta na Qiskit jest dostępna w dodatku OBP Qiskit, więcej szczegółów można znaleźć w odpowiedniej dokumentacji wraz z prostym przykładem, od którego można zacząć.

Rozważmy przykładowy Circuit, dla którego ma zostać zmierzona obserwowalna O=∑PcPPO = \sum_P c_P P, gdzie PP to operatory Pauliego, a cPc_P to współczynniki. Oznaczmy Circuit jako pojedynczą unitarność UU, którą można logicznie podzielić na U=UCUQU = U_C U_Q, jak pokazano na poniższym rysunku.

Diagram Circuit pokazujący Uq a następnie Uc

Wsteczna propagacja operatora wchłania unitarność UCU_C do obserwowalnej poprzez jej ewolucję jako O′=UC†OUC=∑PcPUC†PUCO' = U_C^{\dagger}OU_C = \sum_P c_P U_C^{\dagger}PU_C. Innymi słowy, część obliczeń jest wykonywana klasycznie przez ewolucję obserwowalnej od OO do O′O'. Oryginalny problem można teraz przeformułować jako pomiar obserwowalnej O′O' dla nowego Circuit o mniejszej głębokości, którego unitarność wynosi UQU_Q.

Unitarność UCU_C jest reprezentowana przez pewną liczbę plasterków UC=USUS−1...U2U1U_C = U_S U_{S-1}...U_2U_1. Istnieje wiele sposobów definiowania plasterka. Na przykład w powyższym przykładowym Circuit każda warstwa bramek RzzR_{zz} i każda warstwa bramek RxR_x może być traktowana jako osobny plasterek. Wsteczna propagacja polega na klasycznym obliczaniu O′=Πs=1S∑PcPUs†PUsO' = \Pi_{s=1}^S \sum_P c_P U_s^{\dagger} P U_s. Każdy plasterek UsU_s można reprezentować jako Us=exp(−iθsPs2)U_s = exp(\frac{-i\theta_s P_s}{2}), gdzie PsP_s jest nn-qubitowym operatorem Pauliego, a θs\theta_s jest skalarem. Łatwo wykazać, że

Us†PUs=Pif [P,Ps]=0,U_s^{\dagger} P U_s = P \qquad \text{if} ~[P,P_s] = 0, Us†PUs=cos(θs)P+isin(θs)PsPif {P,Ps}=0U_s^{\dagger} P U_s = \qquad cos(\theta_s)P + i sin(\theta_s)P_sP \qquad \text{if} ~\{P,P_s\} = 0

W powyższym przykładzie, jeśli {P,Ps}=0\{P,P_s\} = 0, to zamiast jednego Circuit musimy wykonać dwa Circuit kwantowe, aby obliczyć wartość oczekiwaną. Dlatego wsteczna propagacja może zwiększać liczbę składników obserwowalnej, prowadząc do większej liczby uruchomień Circuit. Jednym ze sposobów na umożliwienie głębszej wstecznej propagacji do Circuit przy jednoczesnym zapobieganiu nadmiernemu wzrostowi operatora jest obcinanie składników o małych współczynnikach zamiast dodawania ich do operatora. Na przykład w powyższym przykładzie można zdecydować się na obcięcie składnika zawierającego PsPP_sP, pod warunkiem że θs\theta_s jest wystarczająco małe. Obcinanie składników może skutkować mniejszą liczbą Circuit kwantowych do wykonania, ale powoduje pewien błąd w końcowym obliczeniu wartości oczekiwanej proporcjonalny do wartości bezwzględnych współczynników obciętych składników.

Ten samouczek implementuje wzorzec Qiskit do symulacji dynamiki kwantowej łańcucha spinów Heisenberga z użyciem qiskit-addon-obp.

Wymagania​

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

  • Qiskit SDK v1.2 lub nowszy (pip install qiskit)
  • Qiskit Runtime v0.28 lub nowszy (pip install qiskit-ibm-runtime)
  • Dodatek OBP Qiskit (pip install qiskit-addon-obp)
  • Narzędzia pomocnicze Qiskit addon (pip install qiskit-addon-utils)

Konfiguracja​

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

from qiskit.primitives import StatevectorEstimator as Estimator
from qiskit.transpiler.preset_passmanagers import generate_preset_pass_manager
from qiskit.quantum_info import SparsePauliOp
from qiskit.transpiler import CouplingMap
from qiskit.synthesis import LieTrotter

from qiskit_addon_utils.problem_generators import generate_xyz_hamiltonian
from qiskit_addon_utils.problem_generators import (
    generate_time_evolution_circuit,
)
from qiskit_addon_utils.slicing import slice_by_gate_types, combine_slices
from qiskit_addon_obp.utils.simplify import OperatorBudget
from qiskit_addon_obp import backpropagate
from qiskit_addon_obp.utils.truncating import setup_budget

from rustworkx.visualization import graphviz_draw

from qiskit_ibm_runtime import QiskitRuntimeService
from qiskit_ibm_runtime import EstimatorV2, EstimatorOptions

Część I: Łańcuch spinów Heisenberga w małej skali​

Krok 1: Odwzorowanie danych wejściowych na problem kwantowy​

Odwzorowanie ewolucji czasowej kwantowego modelu Heisenberga na eksperyment kwantowy.​

Pakiet qiskit_addon_utils dostarcza pewnych funkcjonalności wielokrotnego użytku w różnych celach.

Jego moduł qiskit_addon_utils.problem_generators udostępnia funkcje do generowania hamiltonianów podobnych do Heisenberga na danym grafie połączeń. Graf ten może być zarówno rustworkx.PyGraph, jak i CouplingMap, co ułatwia korzystanie z niego w przepływach pracy zorientowanych na Qiskit.

Poniżej generujemy liniowy łańcuch CouplingMap złożony z 10 Qubitów.

num_qubits = 10
layout = [(i - 1, i) for i in range(1, num_qubits)]

# Instantiate a CouplingMap object
coupling_map = CouplingMap(layout)
graphviz_draw(coupling_map.graph, method="circo")

Wynik poprzedniej komórki kodu

Następnie generujemy operator Pauliego modelujący hamiltonian Heisenberga XYZ.

H^XYZ=∑(j,k)∈E(Jxσjxσkx+Jyσjyσky+Jzσjzσkz)+∑j∈V(hxσjx+hyσjy+hzσjz){\hat{\mathcal{H}}_{XYZ} = \sum_{(j,k)\in E} (J_{x} \sigma_j^{x} \sigma_{k}^{x} + J_{y} \sigma_j^{y} \sigma_{k}^{y} + J_{z} \sigma_j^{z} \sigma_{k}^{z}) + \sum_{j\in V} (h_{x} \sigma_j^{x} + h_{y} \sigma_j^{y} + h_{z} \sigma_j^{z})}

Gdzie G(V,E)G(V,E) jest grafem dostarczonej mapy sprzężeń.

# Get a qubit operator describing the Heisenberg XYZ model
hamiltonian = generate_xyz_hamiltonian(
    coupling_map,
    coupling_constants=(np.pi / 8, np.pi / 4, np.pi / 2),
    ext_magnetic_field=(np.pi / 3, np.pi / 6, np.pi / 9),
)
print(hamiltonian)
SparsePauliOp(['IIIIIIIXXI', 'IIIIIIIYYI', 'IIIIIIIZZI', 'IIIIIXXIII', 'IIIIIYYIII', 'IIIIIZZIII', 'IIIXXIIIII', 'IIIYYIIIII', 'IIIZZIIIII', 'IXXIIIIIII', 'IYYIIIIIII', 'IZZIIIIIII', 'IIIIIIIIXX', 'IIIIIIIIYY', 'IIIIIIIIZZ', 'IIIIIIXXII', 'IIIIIIYYII', 'IIIIIIZZII', 'IIIIXXIIII', 'IIIIYYIIII', 'IIIIZZIIII', 'IIXXIIIIII', 'IIYYIIIIII', 'IIZZIIIIII', 'XXIIIIIIII', 'YYIIIIIIII', 'ZZIIIIIIII', 'IIIIIIIIIX', 'IIIIIIIIIY', 'IIIIIIIIIZ', 'IIIIIIIIXI', 'IIIIIIIIYI', 'IIIIIIIIZI', 'IIIIIIIXII', 'IIIIIIIYII', 'IIIIIIIZII', 'IIIIIIXIII', 'IIIIIIYIII', 'IIIIIIZIII', 'IIIIIXIIII', 'IIIIIYIIII', 'IIIIIZIIII', 'IIIIXIIIII', 'IIIIYIIIII', 'IIIIZIIIII', 'IIIXIIIIII', 'IIIYIIIIII', 'IIIZIIIIII', 'IIXIIIIIII', 'IIYIIIIIII', 'IIZIIIIIII', 'IXIIIIIIII', 'IYIIIIIIII', 'IZIIIIIIII', 'XIIIIIIIII', 'YIIIIIIIII', 'ZIIIIIIIII'],
              coeffs=[0.39269908+0.j, 0.78539816+0.j, 1.57079633+0.j, 0.39269908+0.j,
 0.78539816+0.j, 1.57079633+0.j, 0.39269908+0.j, 0.78539816+0.j,
 1.57079633+0.j, 0.39269908+0.j, 0.78539816+0.j, 1.57079633+0.j,
 0.39269908+0.j, 0.78539816+0.j, 1.57079633+0.j, 0.39269908+0.j,
 0.78539816+0.j, 1.57079633+0.j, 0.39269908+0.j, 0.78539816+0.j,
 1.57079633+0.j, 0.39269908+0.j, 0.78539816+0.j, 1.57079633+0.j,
 0.39269908+0.j, 0.78539816+0.j, 1.57079633+0.j, 1.04719755+0.j,
 0.52359878+0.j, 0.34906585+0.j, 1.04719755+0.j, 0.52359878+0.j,
 0.34906585+0.j, 1.04719755+0.j, 0.52359878+0.j, 0.34906585+0.j,
 1.04719755+0.j, 0.52359878+0.j, 0.34906585+0.j, 1.04719755+0.j,
 0.52359878+0.j, 0.34906585+0.j, 1.04719755+0.j, 0.52359878+0.j,
 0.34906585+0.j, 1.04719755+0.j, 0.52359878+0.j, 0.34906585+0.j,
 1.04719755+0.j, 0.52359878+0.j, 0.34906585+0.j, 1.04719755+0.j,
 0.52359878+0.j, 0.34906585+0.j, 1.04719755+0.j, 0.52359878+0.j,
 0.34906585+0.j])

Na podstawie operatora qubitowego możemy wygenerować Circuit kwantowy modelujący jego ewolucję czasową. Ponownie z pomocą przychodzi moduł qiskit_addon_utils.problem_generators z przydatną funkcją do właśnie tego celu:

circuit = generate_time_evolution_circuit(
    hamiltonian,
    time=0.2,
    synthesis=LieTrotter(reps=2),
)
circuit.draw("mpl", style="iqp", scale=0.6)

Wynik poprzedniej komórki kodu

Krok 2: Optymalizacja problemu pod kątem wykonania na sprzęcie kwantowym​

Tworzenie plasterków Circuit do wstecznej propagacji​

Pamiętaj, że funkcja backpropagate propaguje wstecznie całe plasterki Circuit naraz, więc wybór sposobu podziału może mieć wpływ na efektywność wstecznej propagacji dla danego problemu. Tutaj pogrupujemy bramki tego samego typu w plasterki, używając funkcji slice_by_gate_types.

Aby uzyskać bardziej szczegółowe omówienie podziału Circuit na plasterki, zapoznaj się z tym przewodnikiem how-to pakietu qiskit-addon-utils.

slices = slice_by_gate_types(circuit)
print(f"Separated the circuit into {len(slices)} slices.")
Separated the circuit into 18 slices.

Ograniczanie rozmiaru, do jakiego operator może urosnąć podczas wstecznej propagacji​

Podczas wstecznej propagacji liczba składników operatora będzie generalnie szybko zbliżać się do 4N4^N, gdzie NN to liczba Qubitów. Gdy dwa składniki operatora nie komutują qubit po qubicie, potrzebujemy osobnych Circuit do uzyskania odpowiadających im wartości oczekiwanych. Na przykład, jeśli mamy 2-qubitową obserwowalną O=0.1XX+0.3IZ−0.5IXO = 0.1 XX + 0.3 IZ - 0.5 IX, to ponieważ [XX,IX]=0[XX,IX] = 0, pomiar w jednej bazie wystarczy do obliczenia wartości oczekiwanych dla tych dwóch składników. Jednak IZIZ antykomutuje z pozostałymi dwoma składnikami. Potrzebujemy więc osobnego pomiaru bazowego do obliczenia wartości oczekiwanej IZIZ. Innymi słowy, do obliczenia ⟨O⟩\langle O \rangle potrzebujemy dwóch Circuit zamiast jednego. Wraz ze wzrostem liczby składników operatora istnieje możliwość, że wymagana liczba uruchomień Circuit również wzrośnie.

Rozmiar operatora można ograniczyć, podając argument operator_budget funkcji backpropagate, który przyjmuje instancję OperatorBudget.

Aby kontrolować ilość dodatkowych zasobów (czasu) przydzielonych, ograniczamy maksymalną liczbę qubitowo komutujących grup Pauliego, jaką może mieć propagowana wstecznie obserwowalna. Tutaj określamy, że wsteczna propagacja powinna zatrzymać się, gdy liczba qubitowo komutujących grup Pauliego w operatorze przekroczy 8.

op_budget = OperatorBudget(max_qwc_groups=8)

Wsteczna propagacja plasterków z Circuit​

Najpierw określamy obserwowalną jako MZ=1N∑i=1N⟨Zi⟩M_Z = \frac{1}{N} \sum_{i=1}^N \langle Z_i \rangle, gdzie NN to liczba Qubitów. Będziemy propagować wstecznie plasterki z Circuit ewolucji czasowej, dopóki składniki obserwowalnej będą mogły być łączone w osiem lub mniej qubitowo komutujących grup Pauliego.

observable = SparsePauliOp.from_sparse_list(
    [("Z", [i], 1 / num_qubits) for i in range(num_qubits)],
    num_qubits=num_qubits,
)
observable
SparsePauliOp(['IIIIIIIIIZ', 'IIIIIIIIZI', 'IIIIIIIZII', 'IIIIIIZIII', 'IIIIIZIIII', 'IIIIZIIIII', 'IIIZIIIIII', 'IIZIIIIIII', 'IZIIIIIIII', 'ZIIIIIIIII'],
              coeffs=[0.1+0.j, 0.1+0.j, 0.1+0.j, 0.1+0.j, 0.1+0.j, 0.1+0.j, 0.1+0.j, 0.1+0.j,
 0.1+0.j, 0.1+0.j])

Poniżej zobaczysz, że propagowaliśmy wstecznie sześć plasterków, a składniki zostały połączone w sześć, a nie osiem grup. Oznacza to, że propagacja wsteczna jednego kolejnego plasterka spowodowałaby przekroczenie liczby ośmiu grup Pauliego. Możemy to potwierdzić, sprawdzając zwrócone metadane. Zwróć też uwagę, że w tej części transformacja Circuit jest dokładna. To znaczy, że żadne składniki nowej obserwowalnej O′O' nie zostały obcięte. Propagowany wstecznie Circuit i propagowana wstecznie obserwowalna dają dokładnie taki sam wynik jak oryginalny Circuit i obserwowalna.

# Backpropagate slices onto the observable
bp_obs, remaining_slices, metadata = backpropagate(
    observable, slices, operator_budget=op_budget
)
# Recombine the slices remaining after backpropagation
bp_circuit = combine_slices(remaining_slices)

print(f"Backpropagated {metadata.num_backpropagated_slices} slices.")
print(
    f"New observable has {len(bp_obs.paulis)} terms, which can be combined into {len(bp_obs.group_commuting(qubit_wise=True))} groups."
)
print(
    f"Note that backpropagating one more slice would result in {metadata.backpropagation_history[-1].num_paulis[0]} terms "
    f"across {metadata.backpropagation_history[-1].num_qwc_groups} groups."
)
print("The remaining circuit after backpropagation looks as follows:")
bp_circuit.draw("mpl", fold=-1, scale=0.6)
Backpropagated 6 slices.
New observable has 60 terms, which can be combined into 6 groups.
Note that backpropagating one more slice would result in 114 terms across 12 groups.
The remaining circuit after backpropagation looks as follows:

Wynik poprzedniej komórki kodu

Następnie określimy ten sam problem z takimi samymi ograniczeniami na rozmiar wyjściowej obserwowalnej. Tym razem jednak przydzielimy budżet błędu dla każdego plasterka, używając funkcji setup_budget. Składniki Pauliego o małych współczynnikach będą obcinane z każdego plasterka, dopóki budżet błędu nie zostanie wyczerpany, a pozostały budżet zostanie dodany do budżetu następnego plasterka. Zwróć uwagę, że w tym przypadku transformacja wynikająca z wstecznej propagacji jest przybliżona, ponieważ niektóre składniki operatora są obcinane.

Aby włączyć to obcinanie, musimy skonfigurować nasz budżet błędu w następujący sposób:

truncation_error_budget = setup_budget(max_error_per_slice=0.005)

Zwróć uwagę, że przydzielając błąd 5e-3 na plasterek do obcinania, jesteśmy w stanie usunąć 1 dodatkowy plasterek z Circuit, pozostając w ramach pierwotnego budżetu ośmiu komutujących grup Pauliego w obserwowalnej. Domyślnie backpropagate używa normy L1 obciętych współczynników do ograniczenia całkowitego błędu wynikającego z obcinania. Inne opcje znajdziesz w przewodniku how-to dotyczącym określania p_norm.

W tym konkretnym przykładzie, gdzie propagowaliśmy wstecznie siedem plasterków, całkowity błąd obcinania nie powinien przekroczyć (5e-3 error/slice) * (7 slices) = 3.5e-2. Więcej informacji na temat dystrybucji budżetu błędu między plasterkami znajdziesz w tym przewodniku how-to.

# Run the same experiment but truncate observable terms with small coefficients
bp_obs_trunc, remaining_slices_trunc, metadata = backpropagate(
    observable,
    slices,
    operator_budget=op_budget,
    truncation_error_budget=truncation_error_budget,
)

# Recombine the slices remaining after backpropagation
bp_circuit_trunc = combine_slices(
    remaining_slices_trunc, include_barriers=False
)

print(f"Backpropagated {metadata.num_backpropagated_slices} slices.")
print(
    f"New observable has {len(bp_obs_trunc.paulis)} terms, which can be combined into {len(bp_obs_trunc.group_commuting(qubit_wise=True))} groups.\n"
    f"After truncation, the error in our observable is bounded by {metadata.accumulated_error(0):.3e}"
)
print(
    f"Note that backpropagating one more slice would result in {metadata.backpropagation_history[-1].num_paulis[0]} terms "
    f"across {metadata.backpropagation_history[-1].num_qwc_groups} groups."
)
print("The remaining circuit after backpropagation looks as follows:")
bp_circuit_trunc.draw("mpl", scale=0.6)
Backpropagated 7 slices.
New observable has 82 terms, which can be combined into 8 groups.
After truncation, the error in our observable is bounded by 3.266e-02
Note that backpropagating one more slice would result in 114 terms across 12 groups.
The remaining circuit after backpropagation looks as follows:

Wynik poprzedniej komórki kodu

Zauważamy, że obcinanie pozwala na głębszą wsteczną propagację bez zwiększania liczby komutujących grup w obserwowalnej.

Teraz, gdy mamy zredukowany ansatz i rozszerzone obserwowalne, możemy transpilować nasze eksperymenty do Backend.​

Tutaj użyjemy 127-qubitowego komputera kwantowego IBM® do zademonstrowania, jak transpilować do Backend QPU.

service = QiskitRuntimeService()
backend = service.least_busy(
    operational=True, simulator=False, min_num_qubits=127
)
pm = generate_preset_pass_manager(backend=backend, optimization_level=1)

# Transpile original experiment
circuit_isa = pm.run(circuit)
observable_isa = observable.apply_layout(circuit_isa.layout)

# Transpile backpropagated experiment
bp_circuit_isa = pm.run(bp_circuit)
bp_obs_isa = bp_obs.apply_layout(bp_circuit_isa.layout)

# Transpile the backpropagated experiment with truncated observable terms
bp_circuit_trunc_isa = pm.run(bp_circuit_trunc)
bp_obs_trunc_isa = bp_obs_trunc.apply_layout(bp_circuit_trunc_isa.layout)

Tworzymy Primitive Unified Bloc (PUB) dla każdego z trzech przypadków.

pub = (circuit_isa, observable_isa)
bp_pub = (bp_circuit_isa, bp_obs_isa)
bp_trunc_pub = (bp_circuit_trunc_isa, bp_obs_trunc_isa)

Krok 3: Wykonanie z użyciem prymitywów Qiskit​

Obliczanie wartości oczekiwanej​

Na koniec możemy uruchomić propagowane wstecznie eksperymenty i porównać je z pełnym eksperymentem, używając bezszumowego StatevectorEstimator.

ideal_estimator = Estimator()

# Run the experiments using Estimator primitive to obtain the exact outcome
result_exact = (
    ideal_estimator.run([(circuit, observable)]).result()[0].data.evs.item()
)
print(f"Exact expectation value: {result_exact}")
Exact expectation value: 0.8871244838989416

W tym przykładzie użyjemy resilience_level = 2.

options = EstimatorOptions()
options.default_precision = 0.011
options.resilience_level = 2

estimator = EstimatorV2(mode=backend, options=options)
job = estimator.run([pub, bp_pub, bp_trunc_pub])

Krok 4: Post-processing i zwrócenie wyniku w żądanym formacie klasycznym​

result_no_bp = job.result()[0].data.evs.item()
result_bp = job.result()[1].data.evs.item()
result_bp_trunc = job.result()[2].data.evs.item()

std_no_bp = job.result()[0].data.stds.item()
std_bp = job.result()[1].data.stds.item()
std_bp_trunc = job.result()[2].data.stds.item()
print(
    f"Expectation value without backpropagation: {result_no_bp} ± {std_no_bp}"
)
print(f"Backpropagated expectation value: {result_bp} ± {std_bp}")
print(
    f"Backpropagated expectation value with truncation: {result_bp_trunc} ± {std_bp_trunc}"
)
Expectation value without backpropagation: 0.8033194665993642
Backpropagated expectation value: 0.8599808781259016
Backpropagated expectation value with truncation: 0.8868736004169483
methods = [
    "No backpropagation",
    "Backpropagation",
    "Backpropagation w/ truncation",
]
values = [result_no_bp, result_bp, result_bp_trunc]
stds = [std_no_bp, std_bp, std_bp_trunc]

ax = plt.gca()
plt.bar(methods, values, color="#a56eff", width=0.4, edgecolor="#8a3ffc")
plt.axhline(result_exact)
ax.set_ylim([0.6, 0.92])
plt.text(0.2, 0.895, "Exact result")
ax.set_ylabel(r"$M_Z$", fontsize=12)
Text(0, 0.5, '$M_Z$')

Wynik poprzedniej komórki kodu

Część B: Skalujemy w górę!​

Użyjmy teraz propagacji wstecznej operatorów, aby zbadać dynamikę hamiltonianu 50-qubitowego łańcucha spinowego Heisenberga.

Krok 1: Odwzorowanie klasycznych danych wejściowych na problem kwantowy​

Rozważamy 50-qubitowy hamiltonian H^XYZ\hat{\mathcal{H}}_{XYZ} dla zagadnienia w większej skali, z tymi samymi wartościami współczynników JJ i hh co w przykładzie małoskalowym. Obserwabla MZ=1N∑i=1N⟨Zi⟩M_Z = \frac{1}{N} \sum_{i=1}^N \langle Z_i \rangle jest również taka sama jak poprzednio. Ten problem wykracza poza możliwości klasycznej symulacji metodą brute-force.

num_qubits = 50
layout = [(i - 1, i) for i in range(1, num_qubits)]

# Instantiate a CouplingMap object
coupling_map = CouplingMap(layout)
graphviz_draw(coupling_map.graph, method="circo")

Output of the previous code cell

hamiltonian = generate_xyz_hamiltonian(
    coupling_map,
    coupling_constants=(np.pi / 8, np.pi / 4, np.pi / 2),
    ext_magnetic_field=(np.pi / 3, np.pi / 6, np.pi / 9),
)
print(hamiltonian)
SparsePauliOp(['IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXXI', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIYYI', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZI', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXXIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIYYIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXXIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIYYIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXXIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIYYIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXXIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIYYIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXXIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIYYIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXXIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIYYIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXXIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIYYIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXXIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIYYIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXXIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIYYIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIYYIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIYYIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIYYIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIYYIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIXXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIYYIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIXXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIYYIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIXXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIYYIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIXXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIYYIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIXXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIYYIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIXXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIYYIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIXXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIYYIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIXXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIYYIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIXXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIYYIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IXXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IYYIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 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)
observable
SparsePauliOp(['IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZ', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZI', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'ZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII'],
              coeffs=[0.02+0.j, 0.02+0.j, 0.02+0.j, 0.02+0.j, 0.02+0.j, 0.02+0.j, 0.02+0.j,
 0.02+0.j, 0.02+0.j, 0.02+0.j, 0.02+0.j, 0.02+0.j, 0.02+0.j, 0.02+0.j,
 0.02+0.j, 0.02+0.j, 0.02+0.j, 0.02+0.j, 0.02+0.j, 0.02+0.j, 0.02+0.j,
 0.02+0.j, 0.02+0.j, 0.02+0.j, 0.02+0.j, 0.02+0.j, 0.02+0.j, 0.02+0.j,
 0.02+0.j, 0.02+0.j, 0.02+0.j, 0.02+0.j, 0.02+0.j, 0.02+0.j, 0.02+0.j,
 0.02+0.j, 0.02+0.j, 0.02+0.j, 0.02+0.j, 0.02+0.j, 0.02+0.j, 0.02+0.j,
 0.02+0.j, 0.02+0.j, 0.02+0.j, 0.02+0.j, 0.02+0.j, 0.02+0.j, 0.02+0.j,
 0.02+0.j])

W przypadku tego zagadnienia w większej skali przyjęliśmy czas ewolucji równy 0.20.2 z 44 krokami Trottera. Problem dobrano tak, aby wykraczał poza możliwości klasycznej symulacji metodą brute-force, lecz mógł być symulowany metodą sieci tensorowych. Pozwala to zweryfikować wynik uzyskany poprzez propagację wsteczną na komputerze kwantowym w porównaniu z wynikiem idealnym.

Idealna wartość oczekiwana dla tego problemu, uzyskana za pomocą symulacji sieci tensorowych, wynosi ≃0.89\simeq 0.89.

circuit = generate_time_evolution_circuit(
    hamiltonian,
    time=0.2,
    synthesis=LieTrotter(reps=4),
)
circuit.draw("mpl", style="iqp", fold=-1, scale=0.6)

Output of the previous code cell

Krok 2: Optymalizacja problemu pod kątem wykonania na sprzęcie kwantowym​

slices = slice_by_gate_types(circuit)
print(f"Separated the circuit into {len(slices)} slices.")
Separated the circuit into 36 slices.

Ustawiamy max_error_per_slice na 0.005 jak poprzednio. Jednak ponieważ liczba wycinków dla tego problemu w dużej skali jest znacznie większa niż w przykładzie małoskalowym, dopuszczenie błędu 0.005 na wycinek może prowadzić do dużego całkowitego błędu propagacji wstecznej. Możemy go ograniczyć, podając max_error_total, które ogranicza łączny błąd propagacji wstecznej — ustawiamy jego wartość na 0.03 (co jest mniej więcej takie samo jak w przykładzie małoskalowym).

W tym przykładzie w dużej skali dopuszczamy wyższą wartość liczby grup przemiennych i ustawiamy ją na 15.

op_budget = OperatorBudget(max_qwc_groups=15)
truncation_error_budget = setup_budget(
    max_error_total=0.03, max_error_per_slice=0.005
)

Najpierw uzyskajmy propagowany wstecznie obwód i obserwablę bez żadnego obcinania.

bp_obs, remaining_slices, metadata = backpropagate(
    observable, slices, operator_budget=op_budget
)
bp_circuit = combine_slices(remaining_slices)

print(f"Backpropagated {metadata.num_backpropagated_slices} slices.")
print(
    f"New observable has {len(bp_obs.paulis)} terms, which can be combined into {len(bp_obs.group_commuting(qubit_wise=True))} groups."
)
print(
    f"Note that backpropagating one more slice would result in {metadata.backpropagation_history[-1].num_paulis[0]} terms "
    f"across {metadata.backpropagation_history[-1].num_qwc_groups} groups."
)
print("The remaining circuit after backpropagation looks as follows:")
bp_circuit.draw("mpl", fold=-1, scale=0.6)
Backpropagated 7 slices.
New observable has 634 terms, which can be combined into 12 groups.
Note that backpropagating one more slice would result in 1246 terms across 27 groups.
The remaining circuit after backpropagation looks as follows:

Output of the previous code cell

Teraz, dopuszczając obcinanie, otrzymujemy:

bp_obs_trunc, remaining_slices_trunc, metadata = backpropagate(
    observable,
    slices,
    operator_budget=op_budget,
    truncation_error_budget=truncation_error_budget,
)

# Recombine the slices remaining after backpropagation
bp_circuit_trunc = combine_slices(
    remaining_slices_trunc, include_barriers=False
)

print(f"Backpropagated {metadata.num_backpropagated_slices} slices.")
print(
    f"New observable has {len(bp_obs_trunc.paulis)} terms, which can be combined into {len(bp_obs_trunc.group_commuting(qubit_wise=True))} groups.\n"
    f"After truncation, the error in our observable is bounded by {metadata.accumulated_error(0):.3e}"
)
print(
    f"Note that backpropagating one more slice would result in {metadata.backpropagation_history[-1].num_paulis[0]} terms "
    f"across {metadata.backpropagation_history[-1].num_qwc_groups} groups."
)
print("The remaining circuit after backpropagation looks as follows:")
bp_circuit_trunc.draw("mpl", fold=-1, scale=0.6)
Backpropagated 10 slices.
New observable has 646 terms, which can be combined into 14 groups.
After truncation, the error in our observable is bounded by 2.998e-02
Note that backpropagating one more slice would result in 1226 terms across 29 groups.
The remaining circuit after backpropagation looks as follows:

Output of the previous code cell

Zauważamy, że dopuszczenie obcinania prowadzi do propagacji wstecznej o trzy wycinki więcej. Możemy zweryfikować głębokość 2-qubitową oryginalnego obwodu, obwodu po propagacji wstecznej oraz obwodu po propagacji wstecznej z obcinaniem po transpilacji.

# Transpile original experiment
circuit_isa = pm.run(circuit)
observable_isa = observable.apply_layout(circuit_isa.layout)

# Transpile the backpropagated experiment
bp_circuit_isa = pm.run(bp_circuit)
bp_obs_isa = bp_obs_trunc.apply_layout(bp_circuit_isa.layout)

# Transpile the backpropagated experiment with truncated observable terms
bp_circuit_trunc_isa = pm.run(bp_circuit_trunc)
bp_obs_trunc_isa = bp_obs_trunc.apply_layout(bp_circuit_trunc_isa.layout)
print(
    f"2-qubit depth of original circuit: {circuit_isa.depth(lambda x:x.operation.num_qubits==2)}"
)
print(
    f"2-qubit depth of backpropagated circuit: {bp_circuit_isa.depth(lambda x:x.operation.num_qubits==2)}"
)
print(
    f"2-qubit depth of backpropagated circuit with truncation: {bp_circuit_trunc_isa.depth(lambda x:x.operation.num_qubits==2)}"
)
2-qubit depth of original circuit: 48
2-qubit depth of backpropagated circuit: 40
2-qubit depth of backpropagated circuit with truncation: 36

Krok 3: Wykonanie za pomocą prymitywów Qiskit​

pubs = [
    (circuit_isa, observable_isa),
    (bp_circuit_isa, bp_obs_isa),
    (bp_circuit_trunc_isa, bp_obs_trunc_isa),
]
options = EstimatorOptions()
options.default_precision = 0.01
options.resilience_level = 2
options.resilience.zne.noise_factors = [1, 1.2, 1.4]
options.resilience.zne.extrapolator = ["linear"]

estimator = EstimatorV2(mode=backend, options=options)
job = estimator.run(pubs)

Krok 4: Postprzetwarzanie i zwrot wyniku w pożądanym formacie klasycznym​

result_no_bp = job.result()[0].data.evs.item()
result_bp = job.result()[1].data.evs.item()
result_bp_trunc = job.result()[2].data.evs.item()
print(f"Expectation value without backpropagation: {result_no_bp}")
print(f"Backpropagated expectation value: {result_bp}")
print(f"Backpropagated expectation value with truncation: {result_bp_trunc}")
Expectation value without backpropagation: 0.7887194658035515
Backpropagated expectation value: 0.9532818300978584
Backpropagated expectation value with truncation: 0.8913400398926913
methods = [
    "No backpropagation",
    "Backpropagation",
    "Backpropagation w/ truncation",
]
values = [result_no_bp, result_bp, result_bp_trunc]

ax = plt.gca()
plt.bar(methods, values, color="#a56eff", width=0.4, edgecolor="#8a3ffc")
plt.axhline(0.89)
ax.set_ylim([0.6, 0.98])
plt.text(0.2, 0.895, "Exact result")
ax.set_ylabel(r"$M_Z$", fontsize=12)
Text(0, 0.5, '$M_Z$')

Output of the previous code cell

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Źródło: IBM Quantum docs — zaktualizowano 15 maj 2026
Wersja angielska na doQumentation — zaktualizowano 15 maj 2026
To tłumaczenie opiera się na angielskiej wersji z dnia 9 kwi 2026
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