Utility-scale-Experiment II

hinweis

Yukio Kawashima (12. Juli 2024)

Lade das PDF herunter der ursprünglichen Vorlesung. Beachte, dass einige Code-Snippets veraltet sein können, da es sich um statische Bilder handelt.

Die ungefähre QPU-Zeit für dieses Experiment beträgt 2 Min. 30 Sek.

(Dieses Notebook verwendet Texte, Illustrationen und Code aus einem inzwischen veralteten Tutorial-Notebook für Qiskit Algorithms.)

1. Einführung und Rückblick auf die Zeitentwicklung

Dieses Notebook folgt den Methoden und Techniken aus Lektion 7. Unser Ziel ist es, die zeitabhängige Schrödinger-Gleichung numerisch zu lösen. Wie in Lektion 7 besprochen, besteht die Trotterisierung aus der aufeinanderfolgenden Anwendung eines oder mehrerer Quantengates, die so gewählt werden, dass sie die Zeitentwicklung eines Systems für einen Zeitabschnitt approximieren. Wir wiederholen diese Diskussion hier zur Übersicht. Du kannst gerne direkt zu den Code-Zellen weiter unten springen, wenn du Lektion 7 kürzlich durchgearbeitet hast.

Ausgehend von der Schrödinger-Gleichung nimmt die Zeitentwicklung eines Systems, das sich anfänglich im Zustand $\vert\psi(0)\rangle$ befindet, folgende Form an:

\vert \psi(t) \rangle = e^{-i H t} \vert \psi(0) \rangle \text{,}

wobei $H$ der zeitunabhängige Hamiltonoperator ist, der das System beschreibt. Wir betrachten einen Hamiltonoperator, der als gewichtete Summe von Pauli-Termen geschrieben werden kann: $H=\sum_j a_j P_j$ , wobei $P_j$ ein Tensorprodukt von Pauli-Termen darstellt, die auf $n$ Qubits wirken. Diese Pauli-Terme können miteinander vertauschen oder auch nicht. Wie erhalten wir den Zustand des Systems zu einem späteren Zeitpunkt $|\psi(t)\rangle$ mithilfe eines Quantencomputers, ausgehend von einem Zustand zum Zeitpunkt $t=0$ ? Das Exponential eines Operators lässt sich am einfachsten über seine Taylor-Reihe verstehen:

e^{-i H t} = 1-iHt-\frac{1}{2}H^2t^2+...

Einige sehr grundlegende Exponentialfunktionen, wie $e^{iZ}$ , lassen sich auf Quantencomputern leicht mit einer kompakten Menge von Quantengates implementieren. Die meisten interessanten Hamiltonoperatoren haben jedoch nicht nur einen einzelnen Term, sondern viele Terme. Beachte, was passiert, wenn $H = H_1+H_2$ :

e^{-i H t} = 1-i(H_1+H_2)t-\frac{1}{2}(H_1+H_2)^2t^2+...

Wenn $H_1$ und $H_2$ vertauschen, haben wir den bekannten Fall (der auch für Zahlen und Variablen $a$ und $b$ gilt):

e^{-i (a+b) t} = e^{-i a t}e^{-i b t}

Wenn Operatoren jedoch nicht vertauschen, können Terme in der Taylor-Reihe nicht auf diese Weise umgeordnet und vereinfacht werden. Die Darstellung komplizierter Hamiltonoperatoren durch Quantengates ist daher eine Herausforderung.

Eine Lösung besteht darin, eine sehr kleine Zeit $t$ zu betrachten, sodass der Term erster Ordnung in der Taylor-Entwicklung dominiert. Unter dieser Annahme gilt:

e^{-i (H_1+H_2) t} \approx 1-i(H_1+H_2)t \approx (1-i H_1 t)(1-i H_2 t) \approx e^{-i H_1 t}e^{-i H_2 t}

Natürlich müssen wir unseren Zustand möglicherweise über eine längere Zeit entwickeln. Das erreichen wir durch viele solcher kleinen Zeitschritte. Dieser Prozess wird Trotterisierung genannt:

\vert \psi(t) \rangle \approx \left(\prod_j e^{-i a_j P_j t/r} \right)^r \vert\psi(0) \rangle \text{,}

Hier ist $t/r$ der Zeitabschnitt (Entwicklungsschritt), den wir wählen. Dadurch wird ein Gate erzeugt, das $r$ -mal angewendet wird. Ein kleinerer Zeitschritt führt zu einer genaueren Approximation. Dies führt jedoch auch zu tieferen Circuits, was in der Praxis zu einer stärkeren Fehlerakkumulation führt (ein nicht vernachlässigbares Problem bei Quantengeräten der aktuellen Generation).

Heute untersuchen wir die Zeitentwicklung des Ising-Modells auf linearen Gittern mit $N=2$ und $N=6$ Gitterplätzen. Diese Gitter bestehen aus einem Array von Spins $\sigma_i$ , die nur mit ihren nächsten Nachbarn wechselwirken. Diese Spins können zwei Orientierungen haben: $\uparrow$ und $\downarrow$ , was einer Magnetisierung von $+1$ bzw. $-1$ entspricht.

H = - J \sum_{i=0}^{N-2} Z_i Z_{i+1} - h \sum_{i=0}^{N-1} X_i \text{,}

wobei $J$ die Wechselwirkungsenergie beschreibt und $h$ die Stärke eines externen Feldes (oben in x-Richtung, aber wir werden das anpassen). Schreiben wir diesen Ausdruck mithilfe von Pauli-Matrizen und unter Berücksichtigung, dass das externe Feld den Winkel $\alpha$ zur transversalen Richtung hat:

H = -J \sum_{i=0}^{N-2} Z_i Z_{i+1} -h \sum_{i=0}^{N-1} (\sin\alpha Z_i + \cos\alpha X_i) \text{.}

Dieser Hamiltonoperator ist nützlich, da er uns ermöglicht, die Auswirkungen eines externen Feldes leicht zu untersuchen. In der Rechenbasis wird das System wie folgt kodiert:

Quantenzustand	Spin-Darstellung
$\lvert 0 0 0 0 \rangle$	$\uparrow\uparrow\uparrow\uparrow$
$\lvert 1 0 0 0 \rangle$	$\downarrow\uparrow\uparrow\uparrow$
$\ldots$	$\ldots$
$\lvert 1 1 1 1 \rangle$	$\downarrow\downarrow\downarrow\downarrow$

Wir beginnen mit der Untersuchung der Zeitentwicklung eines solchen Quantensystems. Konkret werden wir die Zeitentwicklung bestimmter Systemeigenschaften wie der Magnetisierung visualisieren.

# Added by doQumentation — required packages for this notebook
!pip install -q matplotlib numpy qiskit qiskit-aer qiskit-ibm-runtime

# Check the version of Qiskit
import qiskit

qiskit.__version__

'2.0.2'

# Import the qiskit library

import numpy as np
import warnings

from qiskit import QuantumCircuit, QuantumRegister
from qiskit.circuit.library import PauliEvolutionGate
from qiskit.quantum_info import SparsePauliOp
from qiskit.synthesis import LieTrotter
from qiskit.transpiler.preset_passmanagers import generate_preset_pass_manager

from qiskit_aer import AerSimulator
from qiskit_ibm_runtime import QiskitRuntimeService, Estimator

warnings.filterwarnings("ignore")

2. Definition des Ising-Hamiltonoperators im transversalen Feld

Wir betrachten hier das eindimensionale Ising-Modell im transversalen Feld.

Zunächst erstellen wir eine Funktion, die die Systemparameter $N$ , $J$ und $h$ entgegennimmt und unseren Hamiltonoperator als SparsePauliOp zurückgibt. Ein SparsePauliOp ist eine dünnbesetzte Darstellung eines Operators in Form von gewichteten Pauli-Termen.

2.1 Aufgabe 1

Erstelle eine Funktion zum Aufbau eines Ising-Hamiltonoperators im transversalen Feld (siehe die obige Gleichung) mit den Argumenten „Anzahl der Qubits", „J-Parameter" und „h-Parameter". Versuche es selbst anhand der vorherigen Beispiele. Scrolle nach unten für die Lösung.

Lösung:

def get_hamiltonian(nqubits, J, h):
    # List of Hamiltonian terms as 3-tuples containing
    # (1) the Pauli string,
    # (2) the qubit indices corresponding to the Pauli string,
    # (3) the coefficient.
    ZZ_tuples = [("ZZ", [i, i + 1], -J) for i in range(0, nqubits - 1)]
    X_tuples = [("X", [i], -h) for i in range(0, nqubits)]

    # We create the Hamiltonian as a SparsePauliOp, via the method
    # `from_sparse_list`, and multiply by the interaction term.
    hamiltonian = SparsePauliOp.from_sparse_list(
        [*ZZ_tuples, *X_tuples], num_qubits=nqubits
    )
    return hamiltonian.simplify()

Wir beginnen mit der Untersuchung der Zeitentwicklung eines Quantensystems und verfolgen dabei die Magnetisierung. Wir vergleichen hier die Ergebnisse der Statevector- und Matrix Product State-Simulatoren.

Definition des Hamiltonoperators

Das System, das wir jetzt betrachten, hat die Größe $N=20$ .

n_qubits = 20
hamiltonian = get_hamiltonian(nqubits=n_qubits, J=1.0, h=-5.0)
hamiltonian

SparsePauliOp(['IIIIIIIIIIIIIIIIIIZZ', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIZZI', 'IIIIIIIIIIIIIIIIZZII', 'IIIIIIIIIIIIIIIZZIII', 'IIIIIIIIIIIIIIZZIIII', 'IIIIIIIIIIIIIZZIIIII', 'IIIIIIIIIIIIZZIIIIII', 'IIIIIIIIIIIZZIIIIIII', 'IIIIIIIIIIZZIIIIIIII', 'IIIIIIIIIZZIIIIIIIII', 'IIIIIIIIZZIIIIIIIIII', 'IIIIIIIZZIIIIIIIIIII', 'IIIIIIZZIIIIIIIIIIII', 'IIIIIZZIIIIIIIIIIIII', 'IIIIZZIIIIIIIIIIIIII', 'IIIZZIIIIIIIIIIIIIII', 'IIZZIIIIIIIIIIIIIIII', 'IZZIIIIIIIIIIIIIIIII', 'ZZIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIX', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIXI', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIXII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIXIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIXIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIXIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIXIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIXIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIXIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIXIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIXIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIXIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIXIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIXIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIXIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIXIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIXIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIXIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IXIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'XIIIIIIIIIIIIIIIIIII'],
              coeffs=[-1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j,
 -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j,
 -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,
  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,
  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j])

Parameter der Zeitentwicklungssimulation festlegen

Hier verwenden wir die Lie–Trotter-Formel (erster Ordnung).

num_timesteps = 20
evolution_time = 2.0
dt = evolution_time / num_timesteps
product_formula_lt = LieTrotter()

Quantencircuit vorbereiten (Anfangszustand)

Erstelle einen Anfangszustand. Wir starten vom Grundzustand, einem ferromagnetischen Zustand (alle Spins aufwärts oder abwärts). Hier verwenden wir das Beispiel mit allen aufwärts gerichteten Spins (also alle '0').

initial_circuit = QuantumCircuit(n_qubits)
initial_circuit.prepare_state("00000000000000000000")
# Change reps and see the difference when you decompose the circuit
initial_circuit.decompose(reps=1).draw("mpl")

Ausgabe der vorherigen Code-Zelle

Quantencircuit vorbereiten 2 (Einzelner Circuit für die Zeitentwicklung)

Wir konstruieren hier einen Circuit für einen einzelnen Zeitschritt mithilfe von Lie–Trotter. Die Lie-Produktformel (erster Ordnung) ist in der Klasse LieTrotter implementiert. Eine Formel erster Ordnung besteht aus der in der Einführung genannten Approximation, bei der das Matrixexponential einer Summe durch ein Produkt von Matrixexponentialen approximiert wird:

e^{H_1+H_2} \approx e^{H_1} e^{H_2}

Zählen wir die Operationen für diesen Circuit.

single_step_evolution_gates_lt = PauliEvolutionGate(
    hamiltonian, dt, synthesis=product_formula_lt
)
single_step_evolution_lt = QuantumCircuit(n_qubits)
single_step_evolution_lt.append(
    single_step_evolution_gates_lt, single_step_evolution_lt.qubits
)

print(
    f"""
Trotter step with Lie-Trotter
-----------------------------
Depth: {single_step_evolution_lt.decompose(reps=3).depth()}
Gate count: {len(single_step_evolution_lt.decompose(reps=3))}
Nonlocal gate count: {single_step_evolution_lt.decompose(reps=3).num_nonlocal_gates()}
Gate breakdown: {", ".join([f"{k.upper()}: {v}" for k, v in single_step_evolution_lt.decompose(reps=3).count_ops().items()])}
"""
)
single_step_evolution_lt.decompose(reps=3).draw("mpl", fold=-1)

Trotter step with Lie-Trotter
-----------------------------
Depth: 58
Gate count: 77
Nonlocal gate count: 38
Gate breakdown: CX: 38, U3: 20, U1: 19

Ausgabe der vorherigen Code-Zelle

Zu messende Operatoren festlegen

Definieren wir einen Magnetisierungsoperator $\sum_i Z_i / N$ .

magnetization = (
    SparsePauliOp.from_sparse_list(
        [("Z", [i], 1.0) for i in range(0, n_qubits)], num_qubits=n_qubits
    )
    / n_qubits
)
print("magnetization : ", magnetization)

magnetization :  SparsePauliOp(['IIIIIIIIIIIIIIIIIIIZ', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIZI', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIZII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIZIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIZIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIZIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIZIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIZIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIZIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIZIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIZIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIZIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIZIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIZIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIZIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIZIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIZIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIZIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IZIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'ZIIIIIIIIIIIIIIIIIII'],
              coeffs=[0.05+0.j, 0.05+0.j, 0.05+0.j, 0.05+0.j, 0.05+0.j, 0.05+0.j, 0.05+0.j,
 0.05+0.j, 0.05+0.j, 0.05+0.j, 0.05+0.j, 0.05+0.j, 0.05+0.j, 0.05+0.j,
 0.05+0.j, 0.05+0.j, 0.05+0.j, 0.05+0.j, 0.05+0.j, 0.05+0.j])

Zeitentwicklungssimulation durchführen

Wir verfolgen die Magnetisierung (Erwartungswert des Magnetisierungsoperators). Wir verwenden den Statevector- und den MPS-Simulator und vergleichen die Ergebnisse.

# Step 1. Map the problem
# Initiate the circuit
evolved_state = QuantumCircuit(initial_circuit.num_qubits)
# Start from the initial spin configuration
evolved_state.append(initial_circuit, evolved_state.qubits)

# Define backend (simulator)
# MPS
backend_mps = AerSimulator(method="matrix_product_state")
# Statevector
backend_sv = AerSimulator(method="statevector")

# Set Runtime Estimator
# MPS
estimator_mps = Estimator(mode=backend_mps)
# Statevector
estimator_sv = Estimator(mode=backend_sv)

# Step 2. Optimize
# Set pass manager
# MPS
pm_mps = generate_preset_pass_manager(optimization_level=3, backend=backend_mps)
# Statevector
pm_sv = generate_preset_pass_manager(optimization_level=3, backend=backend_sv)

# Transpile initial circuit
# MPS
evolved_state_mps = pm_mps.run(evolved_state)
# Statevector
evolved_state_sv = pm_sv.run(evolved_state)

# Apply layout to the operator
# MPS
magnetization_mps = magnetization.apply_layout(evolved_state_mps.layout)
# Statevector
magnetization_sv = magnetization.apply_layout(evolved_state_sv.layout)

mag_mps_list = []
mag_sv_list = []

# Step 3. Run the circuit
# Estimate expectation values for t=0.0: MPS
job = estimator_mps.run([(evolved_state_mps, [magnetization_mps])])
# Get estimated expectation values: MPS
evs = job.result()[0].data.evs
# Collect data: MPS
mag_mps_list.append(evs[0])

# Estimate expectation values for t=0.0: Statevector
job = estimator_sv.run([(evolved_state_sv, [magnetization_sv])])
# Get estimated expectation values: Statevector
evs = job.result()[0].data.evs
# Collect data: Statevector
mag_sv_list.append(evs[0])

# Start time evolution
for n in range(num_timesteps):
    # Step 1. Map the problem
    # Expand the circuit to describe delta-t
    evolved_state.append(single_step_evolution_lt, evolved_state.qubits)
    # Step 2. Optimize
    # Transpile the circuit: MPS
    evolved_state_mps = pm_mps.run(evolved_state)
    # Apply the physical layout of the qubits to the operator: MPS
    magnetization_mps = magnetization.apply_layout(evolved_state_mps.layout)
    # Step 3. Run the circuit
    # Estimate expectation values at delta-t: MPS
    job = estimator_mps.run([(evolved_state_mps, [magnetization_mps])])
    # Get estimated expectation values: MPS
    evs = job.result()[0].data.evs
    # Collect data: MPS
    mag_mps_list.append(evs[0])

    # Step 2. Optimize
    # Transpile the circuit: Statevector
    evolved_state_sv = pm_sv.run(evolved_state)
    # Apply the physical layout of the qubits to the operator: Statevector
    magnetization_sv = magnetization.apply_layout(evolved_state_sv.layout)
    # Step 3. Run the circuit
    # Estimate expectation values at delta-t: Statevector
    job = estimator_sv.run([(evolved_state_sv, [magnetization_sv])])
    # Get estimated expectation values: Statevector
    evs = job.result()[0].data.evs
    # Collect data: Statevector
    mag_sv_list.append(evs[0])

# Transform the list of expectation values (at each time step) to arrays
mag_mps_array = np.array(mag_mps_list)
mag_sv_array = np.array(mag_sv_list)

Zeitentwicklung der Observablen darstellen

Wir stellen die gemessenen Erwartungswerte gegen die Zeit dar. Bestätige, dass die Ergebnisse der Statevector- und Matrix Product State-Simulatoren übereinstimmen.

import matplotlib.pyplot as plt

# Step 4. Post-processing
fig, axes = plt.subplots(2, sharex=True)
times = np.linspace(0, evolution_time, num_timesteps + 1)  # includes initial state
axes[0].plot(
    times, mag_mps_array, label="MPS", marker="x", c="darkmagenta", ls="-", lw=0.8
)
axes[1].plot(
    times, mag_sv_array, label="SV", marker="x", c="darkmagenta", ls="-", lw=0.8
)

axes[0].set_ylabel("MPS")
axes[1].set_ylabel("Statevector")
axes[1].set_xlabel("Time")
fig.suptitle("Observable evolution")

Text(0.5, 0.98, 'Observable evolution')

Ausgabe der vorherigen Code-Zelle

Wir beginnen mit der Untersuchung der Zeitentwicklung eines Quantensystems und verfolgen dabei bestimmte Eigenschaften. Hier vergleichen wir die Ergebnisse des Matrix Product State-Simulators mit dem tatsächlichen Quantengerät.

2.2 Aufgabe 2

Den Hamiltonian definieren

Das System, das wir jetzt betrachten, hat eine Größe von $N=70$ . Die übrigen Bedingungen sind dieselben wie beim 20-Qubit-Problem. Versuche es selbst – scrolle nach unten für die Lösung.

Lösung:

# Set the number of qubits
n_qubits2 = 70
# Construct the Hamiltonian by calling the function you made in Activity 1
hamiltonian2 = get_hamiltonian(nqubits=n_qubits2, J=1.0, h=-5.0)
hamiltonian2

SparsePauliOp(['IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZ', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZI', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'ZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIX', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXI', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'XIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII'],
              coeffs=[-1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j,
 -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j,
 -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j,
 -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j,
 -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j,
 -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j,
 -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j,
 -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j,
 -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,
  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,
  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,
  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,
  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,
  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,
  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,
  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,
  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,
  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j])

2.3 Aufgabe 3

Erstelle einen Anfangszustand. Wir starten vom Grundzustand aus, dem ferromagnetischen Zustand (alle Spins zeigen nach oben oder nach unten). Hier verwenden wir als Beispiel den Zustand mit allen Spins nach oben (also lauter '0'). Versuche es selbst – scrolle nach unten für die Lösung.

Lösung:

# Initiate the (quantum)circuit
initial_circuit2 = QuantumCircuit(n_qubits2)
# Use QuantumCircuit.prepare_state() to define the initial state
initial_circuit2.prepare_state(
    "0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000"
)
# Change reps and see the difference when you decompose the circuit
initial_circuit2.decompose(reps=1).draw("mpl")

Ausgabe der vorherigen Code-Zelle

2.4 Aufgabe 4

Den Quantum Circuit 2 vorbereiten (einzelner Circuit für die Zeitentwicklung) für das 70-Qubit-Problem

Wir konstruieren hier einen Circuit für einen einzelnen Zeitschritt mit Lie–Trotter. Genau wie im 20-Qubit-Fall wird die Lie-Produktformel (erster Ordnung) durch die Klasse LieTrotter implementiert. Die Formel erster Ordnung besteht wiederum aus der oben angegebenen Näherung:

e^{H_1+H_2} \approx e^{H_1} e^{H_2}

Versuche es selbst, indem du das Beispiel aus dem 20-Qubit-Fall als Ausgangspunkt verwendest. Zähle wie zuvor die Operationen in diesem Circuit.

Lösung:

# Construct the gates using PauliEvolutionGate()
single_step_evolution_gates_lt2 = PauliEvolutionGate(
    hamiltonian2, dt, synthesis=LieTrotter()
)
# Initiate the quantum circuit
single_step_evolution_lt2 = QuantumCircuit(n_qubits2)
# Append the gates defined above
single_step_evolution_lt2.append(
    single_step_evolution_gates_lt2, single_step_evolution_lt2.qubits
)

print(
    f"""
Trotter step with Lie-Trotter
-----------------------------
Depth: {single_step_evolution_lt2.decompose(reps=3).depth()}
Gate count: {len(single_step_evolution_lt2.decompose(reps=3))}
Nonlocal gate count: {single_step_evolution_lt2.decompose(reps=3).num_nonlocal_gates()}
Gate breakdown: {", ".join([f"{k.upper()}: {v}" for k, v in single_step_evolution_lt2.decompose(reps=3).count_ops().items()])}
"""
)
single_step_evolution_lt2.decompose(reps=3).draw("mpl", fold=-1)

Trotter step with Lie-Trotter
-----------------------------
Depth: 208
Gate count: 277
Nonlocal gate count: 138
Gate breakdown: CX: 138, U3: 70, U1: 69

Ausgabe der vorherigen Code-Zelle

2.5 Aufgabe 5

Die zu messenden Operatoren festlegen

Wir definieren einen Magnetisierungsoperator analog zum 20-Qubit-Fall: $\sum_i Z_i / N$ . Versuche es selbst, indem du die 20-Qubit-Lösung entsprechend anpasst.

Lösung:

# Define the magnetization operator in SparsePauliOp
magnetization2 = (
    SparsePauliOp.from_sparse_list(
        [("Z", [i], 1.0) for i in range(0, n_qubits2)], num_qubits=n_qubits2
    )
    / n_qubits2
)
print("magnetization : ", magnetization2)

magnetization :  SparsePauliOp(['IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZ', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZI', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'ZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII'],
              coeffs=[0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j,
01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j,
01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j,
01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j,
01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j,
01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j,
01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j,
01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j,
01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j,
01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j,
01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j,
01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j,
01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j,
01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j,
01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j,
01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j,
01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j,
01428571+0.j, 0.01428571+0.j])

2.6 Aufgabe 6

Zeitentwicklungs-Simulation durchführen

Wir werden die Magnetisierung (Erwartungswert des Magnetisierungsoperators) beobachten. Wir verwenden den MPS-Simulator, um den Referenzwert zu erhalten, mit dem wir die auf der Hardware berechneten Ergebnisse vergleichen können. Du hast den MPS-Simulator bereits in diesem Tutorial verwendet. Passe dieses Beispiel entsprechend an die neue Berechnung an.

Lösung:

# Step 1. Map the problem
# Initiate the circuit
evolved_state2 = QuantumCircuit(initial_circuit2.num_qubits)
# Start from the initial spin configuration
evolved_state2.append(initial_circuit2, evolved_state2.qubits)
# Define backend (MPs simulator)
backend_mps2 = AerSimulator(method="matrix_product_state")
# Initiate Runtime Estimator
estimator_mps2 = Estimator(mode=backend_mps2)
# Step 2. Optimize
# Initiate pass manager
pm_mps2 = generate_preset_pass_manager(optimization_level=3, backend=backend_mps2)
# Transpile
evolved_state_mps2 = pm_mps2.run(evolved_state2)
# Apply qubit layout to the observable to measure
magnetization_mps2 = magnetization2.apply_layout(evolved_state_mps2.layout)
# Initiate list
mag_mps_list2 = []
# Step 3. Run the circuit
# Estimate expectation values for t=0.0
job = estimator_mps2.run([(evolved_state_mps2, [magnetization_mps2])])
# Get estimated expectation values
evs = job.result()[0].data.evs
# Append to list
mag_mps_list2.append(evs[0])

# Start time evolution
for n in range(num_timesteps):
    # Step 1. Map the problem
    # Expand the circuit to describe delta-t
    evolved_state2.append(single_step_evolution_lt2, evolved_state2.qubits)
    # Step 2. Optimize
    # Transpile the circuit
    evolved_state_mps2 = pm_mps2.run(evolved_state2)
    # Apply the physical layout of the qubits to the operator
    magnetization_mps2 = magnetization2.apply_layout(evolved_state_mps2.layout)
    # Step 3. Run the circuit
    # Estimate expectation values at delta-t
    job = estimator_mps2.run([(evolved_state_mps2, [magnetization_mps2])])
    # Get estimated expectation values
    evs = job.result()[0].data.evs
    # Append to list
    mag_mps_list2.append(evs[0])
# Transform the list of expectation values (at each time step) to arrays
mag_mps_array2 = np.array(mag_mps_list2)

Wie in allen vorherigen Lektionen werden wir das Qiskit-Patterns-Framework einsetzen. Der bisherige Teil der Lektion hat sich auf die Erstellung der korrekten Quantum Circuits zur Beschreibung unseres Problems konzentriert. Das entspricht effektiv Schritt 1.

Schritt 2: Für die Ziel-Hardware optimieren

Wir beginnen damit, das Ziel-Backend zu definieren.

service = QiskitRuntimeService()
backend = service.least_busy(operational=True, simulator=False)
backend.name

'ibm_kingston'

Wir transpilieren die Circuits und sammeln sie in einer Liste. Das kann einige Minuten dauern.

pm_hw = generate_preset_pass_manager(optimization_level=3, backend=backend)
circuit_isa = []
# Step 1. Map the problem
evolved_state_hw = QuantumCircuit(initial_circuit2.num_qubits)
evolved_state_hw.append(initial_circuit2, evolved_state_hw.qubits)
# Step 2. Optimize
circuit_isa.append(pm_hw.run(evolved_state_hw))

for n in range(num_timesteps):
    # Step 1. Map the problem
    evolved_state_hw.append(single_step_evolution_lt2, evolved_state_hw.qubits)
    # Step 2. Optimize
    circuit_isa.append(pm_hw.run(evolved_state_hw))

Schritt 3: Auf der Ziel-Hardware ausführen

Wir definieren den Runtime Estimator und erstellen die Liste der PUBs. Außerdem müssen wir das Layout auf die zu messenden Operatoren anwenden.

# Step 2. Optimize
estimator_hw = Estimator(mode=backend)
pub_list = []
for circuit in circuit_isa:
    temp = (circuit, magnetization2.apply_layout(circuit.layout))
    pub_list.append(temp)

Wir sind jetzt bereit, den Job auszuführen.

job = estimator_hw.run(pub_list)
job_id = job.job_id()
print(job_id)

d147hfdqf56g0081sxs0

# check job status
job.status()

'DONE'

Schritt 4: Ergebnisse nachverarbeiten

Zunächst holen wir die Ergebnisse ab.

job = service.job(job_id)
pub_result = job.result()

Nun müssen wir die Erwartungswerte aus diesen Ergebnissen extrahieren.

mag_hw_list = []
for res in pub_result:
    evs = res.data.evs
    mag_hw_list.append(evs)

Diese Werte werden wir weiter unten zum Vergleich verwenden. Zunächst wollen wir prüfen, ob wir unsere Circuits noch weiter optimieren können.

3. Lösung mit einem echten Quantencomputer II

Kehren wir zu Schritt 1 der Qiskit-Patterns zurück und schauen, ob wir die Tiefe unseres Circuits reduzieren können.

3.1 Schritt 1. Das Problem auf Quantum Circuits und Operatoren abbilden

Aufgabe 7

Erstelle einen Circuit für die Zeitentwicklung. Nutze dein Wissen aus den vorherigen Lektionen, um die Tiefe des Circuits zu reduzieren.

Lösung:

# Define J
J = 1.0
# Define h
h = -5.0
# Create instruction for rotation around ZZ:
# Initiate the circuit (use 2 qubits)
Rzz_circ = QuantumCircuit(2)
# Add Rzz gate (do not forget to multiply the angle by 2.0)
Rzz_circ.rzz(-J * dt * 2.0, 0, 1)
# Transform the QuantumCircuit to instruction (QuantumCircuit.to_instruction())
Rzz_instr = Rzz_circ.to_instruction(label="RZZ")

# Create instruction for rotation around X:
# Initiate the circuit (use 1 qubit)
Rx_circ = QuantumCircuit(1)
# Add Rx gate (do not forget to multiply the angle by 2.0)
Rx_circ.rx(-h * dt * 2.0, 0)
# Transform the QuantumCircuit to instruction (QuantumCircuit.to_instruction())
Rx_instr = Rx_circ.to_instruction(label="RX")

# Define the interaction list
interaction_list = [
    [[i, i + 1] for i in range(0, n_qubits2 - 1, 2)],
    [[i, i + 1] for i in range(1, n_qubits2 - 1, 2)],
]  # linear chain

# Define the registers
qr = QuantumRegister(n_qubits2)
# Initiate the circuit
single_step_evolution_sh = QuantumCircuit(qr)
# Construct the Rzz gates
for i, color in enumerate(interaction_list):
    for interaction in color:
        single_step_evolution_sh.append(Rzz_instr, interaction)

# Construct the Rx gates
for i in range(0, n_qubits2):
    single_step_evolution_sh.append(Rx_instr, [i])

print(
    f"""
Trotter step with Lie-Trotter
-----------------------------
Depth: {single_step_evolution_sh.decompose(reps=3).depth()}
Gate count: {len(single_step_evolution_sh.decompose(reps=3))}
Nonlocal gate count: {single_step_evolution_sh.decompose(reps=3).num_nonlocal_gates()}
Gate breakdown: {", ".join([f"{k.upper()}: {v}" for k, v in single_step_evolution_sh.decompose(reps=3).count_ops().items()])}
"""
)

single_step_evolution_sh.decompose(reps=2).draw("mpl")

Trotter step with Lie-Trotter
-----------------------------
Depth: 7
Gate count: 277
Nonlocal gate count: 138
Gate breakdown: CX: 138, U3: 70, U1: 69

Ausgabe der vorherigen Code-Zelle

Das war sehr erfolgreich. Wir können nun mit den übrigen Schritten der Qiskit-Patterns fortfahren.

3.2 Schritt 2. Für die Zielhardware optimieren

Transpiliere die Circuits und füge sie in einer Liste zusammen. Das kann wieder einige Minuten dauern.

pm_hw2 = generate_preset_pass_manager(backend=backend, optimization_level=3)
circuit_isa2 = []
# Step 1. Map the problem
evolved_state_hw2 = QuantumCircuit(initial_circuit2.num_qubits)
evolved_state_hw2.append(initial_circuit2, evolved_state_hw2.qubits)
# Step 2. Optimize
circuit_isa2.append(pm_hw2.run(evolved_state_hw2))
for n in range(num_timesteps):
    # Step 1. Map the problem
    evolved_state_hw2.append(single_step_evolution_sh, evolved_state_hw2.qubits)
    # Step 2. Optimize
    circuit_isa2.append(pm_hw2.run(evolved_state_hw2))

Definiere den Runtime Estimator und erstelle die Liste der PUBs.

estimator_hw2 = Estimator(mode=backend)
pub_list2 = []
for circuit in circuit_isa2:
    temp = (circuit, magnetization2.apply_layout(circuit.layout))
    pub_list2.append(temp)

3.3 Schritt 3. Auf der Zielhardware ausführen

Starte den Job.

job2 = estimator_hw2.run(pub_list2)
job2_id = job2.job_id()
print(job2_id)

d147qqeqf56g0081sye0

# check job status
job2.status()

'DONE'

Rufe die Ergebnisse ab.

job2 = service.job(job2_id)
pub_result2 = job2.result()

3.4 Schritt 4. Nachverarbeitung

Extrahiere die Erwartungswerte aus den Ergebnissen.

mag_hw_list2 = []
for res in pub_result2:
    evs = res.data.evs
    mag_hw_list2.append(evs)

Wandle die Liste in NumPy-Arrays für die Darstellung um.

mag_hw_array = np.array(mag_hw_list)
mag_hw_array2 = np.array(mag_hw_list2)

Jetzt stellen wir die Ergebnisse grafisch dar und vergleichen die Hardware-Ergebnisse (Standard und flacher Circuit) mit dem MPS-Simulator. Wie beeinflusst der Fehler der echten Hardware die Ergebnisse?

fig, axes = plt.subplots(3, sharex=True)
times = np.linspace(0, evolution_time, num_timesteps + 1)  # includes initial state
axes[0].plot(
    times, mag_mps_array2, label="MPS", marker="x", c="darkmagenta", ls="-", lw=0.8
)
axes[1].plot(
    times, mag_hw_array, label="HW", marker="x", c="darkmagenta", ls="-", lw=0.8
)
axes[2].plot(
    times, mag_hw_array2, label="HW2", marker="x", c="darkmagenta", ls="-", lw=0.8
)
axes[0].set_ylabel("MPS")
axes[1].set_ylabel("HW")
axes[2].set_ylabel("HW2")
axes[2].set_xlabel("Time")
fig.suptitle("Observable evolution")

Text(0.5, 0.98, 'Observable evolution')

Output of the previous code cell

Herzlichen Glückwunsch! Du hast einen weiteren Schritt auf deiner Reise in die Quantum-Computing-Nutzungsphase zurückgelegt. Es bleibt nur noch eine einzige Lektion!

1. Einführung und Rückblick auf die Zeitentwicklung​

2. Definition des Ising-Hamiltonoperators im transversalen Feld​

2.1 Aufgabe 1​

Definition des Hamiltonoperators​

Parameter der Zeitentwicklungssimulation festlegen​

Quantencircuit vorbereiten (Anfangszustand)​

Quantencircuit vorbereiten 2 (Einzelner Circuit für die Zeitentwicklung)​

Zu messende Operatoren festlegen​

Zeitentwicklungssimulation durchführen​

Zeitentwicklung der Observablen darstellen​

2.2 Aufgabe 2​

Den Hamiltonian definieren​

2.3 Aufgabe 3​

2.4 Aufgabe 4​

Den Quantum Circuit 2 vorbereiten (einzelner Circuit für die Zeitentwicklung) für das 70-Qubit-Problem​

2.5 Aufgabe 5​

Die zu messenden Operatoren festlegen​

2.6 Aufgabe 6​

Zeitentwicklungs-Simulation durchführen​

Schritt 2: Für die Ziel-Hardware optimieren​

Schritt 3: Auf der Ziel-Hardware ausführen​

Schritt 4: Ergebnisse nachverarbeiten​

3. Lösung mit einem echten Quantencomputer II​

3.1 Schritt 1. Das Problem auf Quantum Circuits und Operatoren abbilden​

Aufgabe 7​

3.2 Schritt 2. Für die Zielhardware optimieren​

3.3 Schritt 3. Auf der Zielhardware ausführen​

3.4 Schritt 4. Nachverarbeitung​

1. Einführung und Rückblick auf die Zeitentwicklung

2. Definition des Ising-Hamiltonoperators im transversalen Feld

2.1 Aufgabe 1

Definition des Hamiltonoperators

Parameter der Zeitentwicklungssimulation festlegen

Quantencircuit vorbereiten (Anfangszustand)

Quantencircuit vorbereiten 2 (Einzelner Circuit für die Zeitentwicklung)

Zu messende Operatoren festlegen

Zeitentwicklungssimulation durchführen

Zeitentwicklung der Observablen darstellen

2.2 Aufgabe 2

Den Hamiltonian definieren

2.3 Aufgabe 3

2.4 Aufgabe 4

Den Quantum Circuit 2 vorbereiten (einzelner Circuit für die Zeitentwicklung) für das 70-Qubit-Problem

2.5 Aufgabe 5

Die zu messenden Operatoren festlegen

2.6 Aufgabe 6

Zeitentwicklungs-Simulation durchführen

Schritt 2: Für die Ziel-Hardware optimieren

Schritt 3: Auf der Ziel-Hardware ausführen

Schritt 4: Ergebnisse nachverarbeiten

3. Lösung mit einem echten Quantencomputer II

3.1 Schritt 1. Das Problem auf Quantum Circuits und Operatoren abbilden

Aufgabe 7

3.2 Schritt 2. Für die Zielhardware optimieren

3.3 Schritt 3. Auf der Zielhardware ausführen

3.4 Schritt 4. Nachverarbeitung