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Fermionische Übergänge zum Konfigurationspool hinzufügen

Hier zeigen wir die Funktionen, mit denen sich der Pool elektronischer Konfigurationen erweitern lässt, den man durch die Wirkung von Übergangsoperatoren auf jede elektronische Konfiguration erhält.

Wir zeigen, wie man Einzelelektronen-Sprünge der folgenden Art hinzufügt:

cpσ†cqσ∣x⟩c^\dagger_{p\sigma} c_{q\sigma} |\textbf{x} \rangle

für p,q=1,...,Norbp, q = 1, ..., N_\textrm{orb} und σ∈{↑,↓}\sigma \in \{ \uparrow, \downarrow\}, und für alle ∣x⟩|\textbf{x} \rangle im Batch der elektronischen Konfigurationen. Wir beginnen mit der Erzeugung eines Batches zufälliger elektronischer Konfigurationen:

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

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

n_qubits = 8
n_orb = n_qubits // 2

rand_seed = 22
np.random.seed(rand_seed)

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

bitstring_matrix = random_bitstrings(100, n_qubits)

Die Anregungsoperatoren werden in einem numpy-Array angegeben, dessen Länge gleich der Anzahl der fermionischen Knoten (oder Qubits) ist. Jedes Element des Arrays muss ein String sein, der folgende Werte annehmen kann:

  • 'I': Identity

  • '+': Erzeugungsoperator

  • '-': Vernichtungsoperator

Wir erzeugen alle möglichen Einzelelektronen-Übergänge (zwischen Spinarten derselben Sorte).

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

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

print(transitions_single)
[['I' 'I' 'I' 'I' 'I' 'I' 'I' 'I']
['+' '-' 'I' 'I' 'I' 'I' 'I' 'I']
['-' '+' 'I' 'I' 'I' 'I' 'I' 'I']
['I' 'I' 'I' 'I' '+' '-' 'I' 'I']
['I' 'I' 'I' 'I' '-' '+' 'I' 'I']
['+' 'I' '-' 'I' 'I' 'I' 'I' 'I']
['-' 'I' '+' 'I' 'I' 'I' 'I' 'I']
['I' 'I' 'I' 'I' '+' 'I' '-' 'I']
['I' 'I' 'I' 'I' '-' 'I' '+' 'I']
['+' 'I' 'I' '-' 'I' 'I' 'I' 'I']
['-' 'I' 'I' '+' 'I' 'I' 'I' 'I']
['I' 'I' 'I' 'I' '+' 'I' 'I' '-']
['I' 'I' 'I' 'I' '-' 'I' 'I' '+']
['I' '+' '-' 'I' 'I' 'I' 'I' 'I']
['I' '-' '+' 'I' 'I' 'I' 'I' 'I']
['I' 'I' 'I' 'I' 'I' '+' '-' 'I']
['I' 'I' 'I' 'I' 'I' '-' '+' 'I']
['I' '+' 'I' '-' 'I' 'I' 'I' 'I']
['I' '-' 'I' '+' 'I' 'I' 'I' 'I']
['I' 'I' 'I' 'I' 'I' '+' 'I' '-']
['I' 'I' 'I' 'I' 'I' '-' 'I' '+']
['I' 'I' '+' '-' 'I' 'I' 'I' 'I']
['I' 'I' '-' '+' 'I' 'I' 'I' 'I']
['I' 'I' 'I' 'I' 'I' 'I' '+' '-']
['I' 'I' 'I' 'I' 'I' 'I' '-' '+']]

Nun wenden wir die Übergangsoperatoren auf die Konfigurationen in bitstring_matrix an:

from qiskit_addon_sqd.fermion import enlarge_batch_from_transitions

bitstring_matrix_aug = enlarge_batch_from_transitions(
bitstring_matrix, transitions_single
)

print(bitstring_matrix_aug.shape)
print(bitstring_matrix_aug)
(723, 8)
[[False False False ... False False True]
[False True False ... True False False]
[ True True True ... True False True]
...
[ True False True ... False False True]
[ True True True ... True False True]
[False False False ... False False True]]