paddle_quantum.mbqc.simulator

此模块包含构造 MBQC 模型的常用类和配套的运算模拟工具。

class MBQC

基类：object

定义基于测量的量子计算模型 MBQC 类。

用户可以通过实例化该类来定义自己的 MBQC 模型。

set_graph(graph)

设置 MBQC 模型中的图。

该函数用于将用户自己构造的图传递给 MBQC 实例。

参数:: graph (list) – MBQC 模型中的图，由列表 [V, E] 给出，其中 V 为节点列表，E 为边列表

get_graph()

获取图的信息。

该函数用于将用户自己构造的图传递给 MBQC 实例。

返回:: 图
返回类型:: networkx.Graph

set_pattern(pattern)

设置 MBQC 模型的测量模式。

该函数用于将用户由电路图翻译得到或自己构造的测量模式传递给 MBQC 实例。

参数:: pattern (Pattern) – MBQC 算法对应的测量模式

get_pattern()

获取测量模式的信息。

返回:: 测量模式
返回类型:: Pattern

set_input_state(state)

设置需要替换的输入量子态。

警告

与电路模型不同，MBQC 模型通常默认初始态为加态。如果用户不调用此方法设置初始量子态，则默认为加态。如果用户以测量模式运行 MBQC，则此处输入量子态的系统标签会被限制为从零开始的自然数，类型为整型。

参数:: state (Optional[State]) – 需要替换的量子态，默认为加态

draw_process(draw, pos, pause_time)

动态过程图绘制，用以实时展示 MBQC 模型的模拟计算过程。

警告

与电路模型不同，MBQC 模型通常默认初始态为加态。如果用户不调用此方法设置初始量子态，则默认为加态。如果用户以测量模式运行 MBQC，则此处输入量子态的系统标签会被限制为从零开始的自然数，类型为整型。

参数:

draw (Optional[bool]) – 是否绘制动态过程图的布尔开关
pos (Optional[bool]) – 节点坐标的字典数据或者内置的坐标选择，内置的坐标选择有： True 为测量模式自带的坐标，False 为 spring_layout 坐标
pause_time (Optional[float]) – 需要替换的量子态，默认为加态

track_process(track)

显示 MBQC 模型运行进度的开关。

参数:: track (Optional[bool]) – True 打开进度条显示功能， False 关闭进度条显示功能

measure(which_qubit, basis_list)

显示 MBQC 模型运行进度的开关。

备注

这是用户在实例化 MBQC 类之后最常调用的方法之一，此处我们对单比特测量模拟进行了最大程度的优化，随着用户对该函数的调用，MBQC 类将自动完成激活相关节点、生成所需的图态以及对特定比特进行测量的全过程，并记录测量结果和对应测量后的量子态。用户每调用一次该函数，就完成一次对单比特的测量操作。

警告

当且仅当用户调用 measure 类方法时，MBQC 模型才真正进行运算。

代码示例：

from paddle_quantum.mbqc.simulator import MBQC
from paddle_quantum.mbqc.qobject import State
from paddle_quantum.mbqc.utils import zero_state, basis

G = [['1', '2', '3'], [('1', '2'), ('2', '3')]]
mbqc = MBQC()
mbqc.set_graph(G)
state = State(zero_state(), ['1'])
mbqc.set_input_state(state)
mbqc.measure('1', basis('X'))
mbqc.measure('2', basis('X'))
print("Measurement outcomes: ", mbqc.get_classical_output())

Measurement outcomes:  {'1': 0, '2': 1}

参数:

which_qubit (Any) – 待测量量子比特的系统标签，可以是 str, tuple 等任意数据类型，但需要和 MBQC 模型的图上标签匹配
basis_list (list) – 测量基向量构成的列表，列表元素为 Tensor 类型的列向量

sum_outcomes(which_qubits, start)

根据输入的量子系统标签，在存储测量结果的字典中找到对应的测量结果，并进行求和。

备注

在进行副产品纠正操作和定义适应性测量角度时，用户可以调用该方法对特定比特的测量结果求和。

代码示例：

from paddle_quantum.mbqc.simulator import MBQC
from paddle_quantum.mbqc.qobject import State
from paddle_quantum.mbqc.utils import zero_state, basis

G = [['1', '2', '3'], [('1', '2'), ('2', '3')]]
mbqc = MBQC()
mbqc.set_graph(G)
input_state = State(zero_state(), ['1'])
mbqc.set_input_state(input_state)
mbqc.measure('1', basis('X'))
mbqc.measure('2', basis('X'))
mbqc.measure('3', basis('X'))
print("All measurement outcomes: ", mbqc.get_classical_output())
print("Sum of outcomes of qubits '1' and '2': ", mbqc.sum_outcomes(['1', '2']))
print("Sum of outcomes of qubits '1', '2' and '3' with an extra 1: ", mbqc.sum_outcomes(['1', '2', '3'], 1))

All measurement outcomes:  {'1': 0, '2': 0, '3': 1}
Sum of outcomes of qubits '1' and '2':  0
Sum of outcomes of qubits '1', '2' and '3' with an extra 1:  2

参数:

which_qubits (list) – 需要查找测量结果并求和的比特的系统标签列表
start (int) – 对结果进行求和后需要额外相加的整数

返回:

指定比特的测量结果的和

返回类型:

int

correct_byproduct(gate, which_qubit, power)

对测量后的量子态进行副产品纠正。

备注

这是用户在实例化 MBQC 类并完成测量后，经常需要调用的一个方法。

代码示例：

此处展示的是 MBQC 模型下实现隐形传态的一个例子。

from paddle_quantum.mbqc.simulator import MBQC
from paddle_quantum.mbqc.qobject import State
from paddle_quantum.mbqc.utils import random_state_vector, basis, compare_by_vector

G = [['1', '2', '3'], [('1', '2'), ('2', '3')]]
state = State(random_state_vector(1), ['1'])
mbqc = MBQC()
mbqc.set_graph(G)
mbqc.set_input_state(state)
mbqc.measure('1', basis('X'))
mbqc.measure('2', basis('X'))
outcome = mbqc.get_classical_output()
mbqc.correct_byproduct('Z', '3', outcome['1'])
mbqc.correct_byproduct('X', '3', outcome['2'])
state_out = mbqc.get_quantum_output()
state_std = State(state.vector, ['3'])
compare_by_vector(state_out, state_std)

Norm difference of the given states is: 0.0
They are exactly the same states.

参数:

gate (str) – 'X' 或者 'Z'，分别表示 Pauli X 或 Z 门修正
which_qubit (list) – 待操作的量子比特的系统标签，可以是 str, tuple 等任意数据类
power (int) – 副产品纠正算符的指数

run_pattern(): 按照设置的测量模式对 MBQC 模型进行模拟。

警告

该方法必须在 set_pattern 调用后调用。

get_classical_output()

获取 MBQC 模型运行后的经典输出结果。

返回:: 如果用户输入是测量模式，则返回测量输出节点得到的比特串，与原电路的测量结果相一致，没有被测量的比特位填充 “?”，如果用户输入是图，则返回所有节点的测量结果
返回类型:: Union[str, dict]

get_history()

获取 MBQC 计算模拟时的中间步骤信息。

返回:: 生成图态、进行测量、纠正副产品后运算结果构成的列表
返回类型:: list

get_quantum_output()

获取 MBQC 模型运行后的量子态输出结果。

返回:: MBQC 模型运行后的量子态
返回类型:: State

simulate_by_mbqc(circuit, input_state)

使用等价的 MBQC 模型模拟量子电路。

该函数通过将量子电路转化为等价的 MBQC 模型并运行，从而获得等价于原始量子电路的输出结果。

警告

此处输入的 circuit 参数包含了测量操作。另，MBQC 模型默认初始态为加态，因此，如果用户不输入参数 input_state 设置初始量子态，则默认为加态。

参数:

circuit (Circuit) – 量子电路图
input_state (Optional[State]) – 量子电路的初始量子态，默认为 \(|+\rangle\) 态

返回:

包含如下两个元素：

str: 经典输出
State: 量子输出

返回类型:

Tuple[str, State]

sample_by_mbqc(circuit, input_state, plot, shots, print_or_not)

将 MBQC 模型重复运行多次，获得经典结果的统计分布。

该函数通过将量子电路转化为等价的 MBQC 模型并运行，从而获得等价于原始量子电路的输出结果。

警告

此处输入的 circuit 参数包含了测量操作。另，MBQC 模型默认初始态为加态，因此，如果用户不输入参数 input_state 设置初始量子态，则默认为加态。

参数:

circuit (Circuit) – 量子电路图
input_state (Optional[State]) – 量子电路的初始量子态，默认为加态
plot (Optional[bool]) – 绘制经典采样结果的柱状图开关，默认为关闭状态
shots (Optional[int]) – 采样次数，默认为 1024 次
print_or_not (Optional[bool]) – 是否打印采样结果和绘制采样进度，默认为开启状态

返回:

包含如下两个元素：

经典结果构成的频率字典
经典测量结果和所有采样结果（包括经典输出和量子输出）的列表

返回类型:

Tuple[dict, list]