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量子电路 (Circuit)

量子计算机是由包含电路和基本量子门的量子电路构造的，类似于经典计算机是由包含连线和逻辑门的电路构造的。电路的读法是从左到右。电路中的每一条线代表量子电路的连线。这些连线不一定对应到物理的连线；它可能对应时间段，或者从空间的一处移动到另一处的物理粒子，比如光子。

Random

一些经典电路的特征在量子电路中通常不会出现：

  • 量子电路不允许“环路”，即从量子电路的一部分反馈到另一部分; 我们称电路为非周期的 (acyclic) 。
  • 经典电路允许连线汇合，即扇入操作 (FANIN) ，导致单线包含所有输入位的按位或 (bitwise OR) 。显然这个操作不是可逆的，因此也不是酉操作，所以我们不允许量子电路中有扇入操作。
  • 与上面相反的操作，扇出操作 (FANOUT) ，即产生一个比特的多个拷贝在量子电路中也是不允许的。

在 QuICT 中，量子电路是最重要的单元，它支撑着量子算法的设计和模拟器的运行。 在 QuICT 中我们使用 Circuit 类来定义一个量子电路，其中包括一系列量子比特和量子门，并存储了相关的对应关系。在 Circuit 中，它不仅支持量子门和组合量子门的自由添加，也允许通过随机的方式来快速构建需要的量子电路。 Circuit 类还提供了绘制量子电路、转换为 OpenQASM 文件和 DAG 量子线路的工具。

Add graph to show the qubit index and circuit's wires

量子电路基础属性

circuit.name            # 返回量子电路的名字
circuit.qubits          # 返回量子电路中的量子寄存器
circuit.ancilla_qubits  # 返回量子电路中辅助比特的位置
circuit.topology        # 返回量子电路所对应的物理比特拓扑结构

circuit.gates           # 返回电路内的所有量子门，包括组合量子门
circuit.flatten_gates() # 拆分所有电路内的组合量子门，并返回所有基础量子门
circuit.decomposition_gates()   # 将电路内的所有两比特以上或者复杂的量子门转换为基础量子门的组合表示

量子电路基础信息

circuit.size()      # 电路内量子门个数
circuit.depth()     # 电路深度
circuit.width()     # 电路宽度

circuit.count_1qubit_gate()         # 返回电路中单比特量子门的个数
circuit.count_2qubit_gate()         # 返回电路中双比特量子门的个数
circuit.count_gate_by_gatetype(GateType.cx)    # 返回电路中给定量子门种类的个数

如何使用 QuICT 来构建量子电路

量子电路初始化

QuICT中的量子电路初始化，可以提供如下信息：

  • wires (Qureg | int): 可以支持输入量子比特数或者定义好的量子比特类 Qureg
  • name (str, optional): 量子电路名称，如不提供则为QC_{随机6位字符串}
  • topology (Layout, optional): 量子比特的拓扑结构
  • ancilla_qubits (list, optional): 保存辅助比特位的队列
  • precision (str, optional): 量子电路的精度，会影响所有量子电路中的量子门和后续的电路模拟。
from QuICT.core import Circuit

circuit = Circuit(5)    # 5比特量子电路
circuit_with_ancilla = Circuit(5, ancilla_qubits=[0, 2])    # 带辅助比特的量子电路

如何添加量子门

Circuit 类提供了三种方式来进行电路中的量子门添加： - 可以使用运算符 or (|) 将量子门、组合量子门甚至量子电路添加到量子电路中 - 可以使用 circuit.append(gate) 或 circuit.extend(CompositeGate，Circuit) 来添加量子门、量子组合门等 - 如果需要构建随机量子电路，可以通过 circuit.random_append() 来实现；值得注意的是，如果量子电路类中包含拓扑信息，在随机电路构建的时候会按照拓扑结构随机放置双比特门

from QuICT.core import Circuit
from QuICT.core.gate import *
from QuICT.algorithm.qft import QFT

# Build a circuit with qubits 5
circuit = Circuit(5)

# add gates
H | circuit(0)                      # append H gate
for i in range(4):
    cx_gate = CX & [i, i+1]
    circuit.append(cx_gate)         # append CX gate

# Add CompositeGate
qft_gate = QFT(5)
qft_gate | circuit([0, 1, 2, 3, 4])
circuit.extend(qft_gate)

# append random gates
circuit.random_append(rand_size=10)

如何修改量子电路

Circuit 类提供了多种方法来管理量子线路中的量子门：

  • 支持按照电路深度取出对应量子门 circuit.get_gates_by_depth()
  • 支持按照插入顺序或者比特位和深度来进行量子门 pop 和 insert 操作
  • 支持按照给定比特位或者深度来将电路切分为两个量子电路 circuit.split()
  • 支持按照量子门数、比特位和量子门类型来选取量子电路中的部分子电路 circuit.sub_circuit()

Tip

其他详细信息，请阅读 quict/example 中的示例和文档中的教程。

from QuICT.core import Circuit


circuit = Circuit(5)  # Build a circuit with qubits 5
circuit.random_append(rand_size=20)  # append random gates

circuit.sub_circuit(        # 提取部分电路
    start_index,    # 子电路起始位置
    gate_number,    # 子电路门数
    target_qubits,  # 子电路比特位
    target_gates    # 子电路量子门种类
)

量子电路辅助模块

量子电路变换

Circuit 类同时提供相关辅助功能来帮助用户进一步开发： - 支持 Circuit 类和 CompositeGate 类之间的相互转换 - 支持将量子电路进行反转，并生成相对应的量子电路 - 支持将量子电路转换为酉矩阵

circuit.to_compositegate()  # 将当前电路转换为组合量子门
circuit.inverse()           # 返回反转量子电路，即此电路的量子门为当前电路的所有量子的反转门
circuit.matrix()            # 返回当前电路的酉矩阵

QASM & QCIS 格式转换 [TODO: run pass check]

QuICT 支持量子电路与 OpenQASM 格式和 QCIS 格式的相互转换，既可以将量子电路保存为 OpenQASM 格式或 QCIS 格式的文件，也支持通过从 OpenQASM 文件或 QCIS 文件中导入电路。

from QuICT.tools.interface import OPENQASMInterface， QCISInterface

# Save to QASM file
circuit.qasm("example.qasm")

# Save to QCIS file
circuit.qcis("example.qcis")

# load qasm
file_path = "/path/to/QASM"
qasm_circuit = OPENQASMInterface.load_file(file_path).circuit

# load qcis
file_path = "/path/to/QCIS"
qcis_circuit = QCISInterface.load_file(file_path)

量子电路可视化

QuICT 中有两种可视化量子电路的方法，一种是在命令行界面显示量子电路，另一种是生成量子电路图片。

# draw the flatten Quantum Circuit in CLI
circuit.draw(method='command', flatten=True)

# draw the circuit's graph
circuit.draw(method='matp_auto', filename="QuICT")

Random

有向无环图 (DAG Circuit)

为了实现相关的电路优化算法，也为了更好地对电路结构进行展示，QuICT 可以根据量子电路内量子门的交换性，来构建对应的 DAG Graph ，图中每一个节点都代表着量子电路中的一个量子门，而每一个节点之间的连线都代表着两个量子门之间不可交换，并且可以通过与其他量子门交换来达到先后连接的顺序。

dag_circuit = circuit.get_DAG_circuit()     # 将 circuit 转化为 DAGCircuit
dag_circuit.draw()                          # DAGCircuit 可视化

Dag Circuit