Näherungsweise Quantenkompilierung für Zeitentwicklungsschaltkreise

Geschätzter Ressourcenverbrauch: 15 Sekunden auf einem Heron-Prozessor (HINWEIS: Dies ist nur eine Schätzung. Deine tatsächliche Laufzeit kann abweichen.)

Lernziele

Nach Abschluss dieses Tutorials kannst du die folgenden Informationen nachvollziehen:

• Wie du das AQC-Tensor-Qiskit-Addon verwendest, um tiefe Trotter-Schaltkreise in flache Ansatz-Schaltkreise zu komprimieren
• Wie du einen parametrisierten Ansatz aus einem Trotter-Schaltkreis erzeugst und seine Parameter mithilfe von Tensornetzwerk-Methoden (MPS) optimierst
• Wie du die Fidelität eines komprimierten Schaltkreises gegenüber der Zielentwicklung bewertest und ihn auf Quantenhardware ausführst

Voraussetzungen

Es wird empfohlen, dass du dich mit diesen Themen vertraut machst:

• Grundlagen der Quantenschaltkreise
• Hamiltonian-Simulation und Trotterisierung
• Einführung in Primitive

Hintergrund

Dieses Tutorial zeigt, wie du Approximate Quantum Compilation (näherungsweise Quantenkompilierung) mithilfe von Tensornetzwerken (AQC-Tensor) mit Qiskit umsetzt, um die Leistung von Quantenschaltkreisen zu verbessern. AQC-Tensor komprimiert tiefe Trotter-Schaltkreise in flachere, hardwarefreundlichere Schaltkreise, ohne dabei die Simulationsgenauigkeit zu verlieren.

Wie AQC-Tensor funktioniert

Betrachte die Simulation eines Hamiltonians $H$ für die Gesamtzeit $t$ mit $k$ Trotter-Schritten. Der vollständige Trotter-Schaltkreis lautet:

$$U_{\text{full}} = \left[U_{\text{Trotter}}(t/k)\right]^k$$

Ein naiver Ansatz verwendet wenige Trotter-Schritte, um die Schaltkreistiefe handhabbar zu halten, was aber zu erheblichem Trotter-Fehler führt. AQC-Tensor löst diesen Konflikt, indem es Genauigkeit und Tiefe voneinander trennt:

1. Zielschaltkreis (hohe Genauigkeit, tief): Konstruiere einen Trotter-Schaltkreis mit vielen Schritten — zum Beispiel $10k$ — für dieselbe Entwicklungszeit. Dieser Schaltkreis hat weit weniger Trotter-Fehler, ist aber zu tief für Hardware. Da er nur klassisch als Matrix-Produkt-Zustand (MPS) simuliert wird, spielt die Tiefe keine Rolle.

2. Ansatz-Schaltkreis (geringe Tiefe, parametrisiert): Definiere einen parametrisierten Schaltkreis $V(\theta)$ mit derselben Struktur wie ein Einzel-Schritt-Trotter-Schaltkreis. Initialisiere ihn so, dass $V(\theta_{\text{init}}) = U_{\text{Trotter}}(t/k)$, und optimiere $\theta$ iterativ so, dass $V(\theta)$ den hochgenauen Zielzustand so genau wie möglich reproduziert.

Das Ergebnis ist ein Schaltkreis, der die Tiefe eines einzelnen Trotter-Schritts beibehält, aber die Genauigkeit von vielen erreicht, was ihn für Quantenhardware der nahen Zukunft geeignet macht.

Wann AQC-Tensor einsetzen

AQC-Tensor ist am effektivsten, wenn:

• Die Schaltkreistiefe die Hardware-Kohärenzzeiten übersteigt. Wenn eine Trotter-Simulation mehr Trotter-Schritte erfordert, als das Gerät unterstützen kann, kann AQC-Tensor die Entwicklung in einen flacheren Schaltkreis komprimieren.
• Die Verschränkung klassisch handhabbar bleibt. Die gesamte Verschränkung in einem zeitentwickelten Zustand hängt primär von der Entwicklungszeit $t$ ab, nicht von der Anzahl der Trotter-Schritte $k$. Das bedeutet, dass ein Zielschaltkreis mit $10k$ Schritten typischerweise nicht schwieriger als MPS darzustellen ist als einer mit $k$ Schritten, solange $t$ kurz genug ist, damit die Bond-Dimensionen handhabbar bleiben.
• Ein natürlicher Ansatz existiert. Da der Ansatz die Struktur eines Trotter-Schaltkreises widerspiegelt, liefert er einen physikalisch motivierten Ausgangspunkt mit klar definierten Anfangsparametern, wodurch Konvergenzprobleme vermieden werden, die beliebige Variationsansätze beeinträchtigen können.

Dieser Ansatz unterscheidet sich von generischer Schaltkreiskomprimierung: Anstatt zu versuchen, einen beliebigen Unitären mit weniger Gattern zu approximieren, behält AQC-Tensor dieselbe Gatterstruktur und optimiert deren Parameter, um den Trotter-Fehler zu reduzieren. Weitere Informationen findest du in der AQC-Tensor-Dokumentation.

Dieses Tutorial führt dich durch den vollständigen AQC-Tensor-Workflow zur Zustandsvorbereitung: Hamiltonian definieren, Trotter-Schaltkreise erzeugen, sie mittels Tensornetzwerk-Optimierung komprimieren und das Ergebnis auf IBM Quantum®-Hardware ausführen.

Voraussetzungen (Installation)

Stelle vor Beginn dieses Tutorials sicher, dass Folgendes installiert ist:

• Qiskit SDK v2.0 oder neuer, mit Unterstützung für Visualisierung
• Qiskit Runtime v0.22 oder neuer (pip install qiskit-ibm-runtime)
• AQC-Tensor Qiskit-Addon (pip install 'qiskit-addon-aqc-tensor[aer,quimb-jax]')

Setup

# Added by doQumentation — required packages for this notebook
!pip install -q matplotlib numpy qiskit qiskit-addon-aqc-tensor qiskit-addon-utils qiskit-ibm-runtime quimb rustworkx scipy

import numpy as np
import quimb.tensor
import datetime
import matplotlib.pyplot as plt

from scipy.linalg import expm
from scipy.optimize import OptimizeResult, minimize

from qiskit.quantum_info import SparsePauliOp, Pauli
from qiskit.transpiler import CouplingMap
from qiskit.transpiler.preset_passmanagers import generate_preset_pass_manager
from qiskit import QuantumCircuit
from qiskit.synthesis import SuzukiTrotter

from qiskit_addon_utils.problem_generators import (
    generate_time_evolution_circuit,
)
from qiskit_addon_aqc_tensor.ansatz_generation import (
    generate_ansatz_from_circuit,
)
from qiskit_addon_aqc_tensor.objective import MaximizeStateFidelity
from qiskit_addon_aqc_tensor.simulation.quimb import QuimbSimulator
from qiskit_addon_aqc_tensor.simulation import tensornetwork_from_circuit
from qiskit_addon_aqc_tensor.simulation import compute_overlap

from qiskit_ibm_runtime import QiskitRuntimeService
from qiskit_ibm_runtime import EstimatorV2 as Estimator
from qiskit_ibm_runtime.fake_provider import FakeKyiv

from rustworkx.visualization import graphviz_draw

Kleinskaliges Simulator-Beispiel

Dieser Abschnitt verwendet ein 10-Gitterplatz-System, um den AQC-Tensor-Workflow Schritt für Schritt zu veranschaulichen. Wir simulieren die Dynamik einer XXZ-Spinkette mit 10 Gitterplätzen, einem weitverbreiteten Modell zur Untersuchung von Spin-Wechselwirkungen und magnetischen Eigenschaften.

Der Hamiltonian lautet:

$$\hat{\mathcal{H}}_{XXZ} = \sum_{i=1}^{L-1} J_{i,(i+1)}\left(X_i X_{(i+1)}+Y_i Y_{(i+1)}+ 2\cdot Z_i Z_{(i+1)} \right) \, ,$$

wobei $J_{i,(i+1)}$ ein zufälliger Koeffizient für die Kante $(i, i+1)$ ist und $L=10$.

Schritt 1: Klassische Eingaben auf ein Quantenproblem abbilden

In diesem Schritt:

1. Definieren wir den Hamiltonian, die Observable und den Anfangszustand.
2. Berechnen wir den exakten Erwartungswert klassisch für einen späteren Vergleich.
3. Erzeugen wir einen hochgenauen Trotter-Schaltkreis (das AQC-Ziel) und komprimieren ihn mithilfe von AQC-Tensor in einen Ansatz mit geringer Tiefe.

Hamiltonian, Observable und Anfangszustand einrichten

# L is the number of sites in the 1D spin chain
L = 10

# Generate the coupling map
edge_list = [(i - 1, i) for i in range(1, L)]
even_edges = edge_list[::2]
odd_edges = edge_list[1::2]
coupling_map = CouplingMap(edge_list)

# Generate random coefficients for our XXZ Hamiltonian
np.random.seed(0)
Js = np.random.rand(L - 1) + 0.5 * np.ones(L - 1)
hamiltonian = SparsePauliOp(Pauli("I" * L))
for i, edge in enumerate(even_edges + odd_edges):
    hamiltonian += SparsePauliOp.from_sparse_list(
        [
            ("XX", (edge), Js[i] / 2),
            ("YY", (edge), Js[i] / 2),
            ("ZZ", (edge), Js[i]),
        ],
        num_qubits=L,
    )

# Generate a ZZ observable between the two middle qubits
observable = SparsePauliOp.from_sparse_list(
    [("ZZ", (L // 2 - 1, L // 2), 1.0)], num_qubits=L
)

# Generate an initial Néel state |1010101010⟩
initial_state_circuit = QuantumCircuit(L)
for i in range(L):
    if i % 2:
        initial_state_circuit.x(i)

print("Hamiltonian:", hamiltonian)
print("Observable:", observable)
graphviz_draw(coupling_map.graph, method="circo")

Hamiltonian: SparsePauliOp(['IIIIIIIIII', 'IIIIIIIIXX', 'IIIIIIIIYY', 'IIIIIIIIZZ', 'IIIIIIXXII', 'IIIIIIYYII', 'IIIIIIZZII', 'IIIIXXIIII', 'IIIIYYIIII', 'IIIIZZIIII', 'IIXXIIIIII', 'IIYYIIIIII', 'IIZZIIIIII', 'XXIIIIIIII', 'YYIIIIIIII', 'ZZIIIIIIII', 'IIIIIIIXXI', 'IIIIIIIYYI', 'IIIIIIIZZI', 'IIIIIXXIII', 'IIIIIYYIII', 'IIIIIZZIII', 'IIIXXIIIII', 'IIIYYIIIII', 'IIIZZIIIII', 'IXXIIIIIII', 'IYYIIIIIII', 'IZZIIIIIII'],
              coeffs=[1.        +0.j, 0.52440675+0.j, 0.52440675+0.j, 1.0488135 +0.j,
 0.60759468+0.j, 0.60759468+0.j, 1.21518937+0.j, 0.55138169+0.j,
 0.55138169+0.j, 1.10276338+0.j, 0.52244159+0.j, 0.52244159+0.j,
 1.04488318+0.j, 0.4618274 +0.j, 0.4618274 +0.j, 0.9236548 +0.j,
 0.57294706+0.j, 0.57294706+0.j, 1.14589411+0.j, 0.46879361+0.j,
 0.46879361+0.j, 0.93758721+0.j, 0.6958865 +0.j, 0.6958865 +0.j,
 1.391773  +0.j, 0.73183138+0.j, 0.73183138+0.j, 1.46366276+0.j])
Observable: SparsePauliOp(['IIIIZZIIII'],
              coeffs=[1.+0.j])

Exakten Erwartungswert berechnen

Für ein System dieser Größe können wir den exakten zeitentwickelten Erwartungswert direkt mittels Matrixexponentiation berechnen. Dieser dient als Referenzwert zur Beurteilung der Genauigkeit des AQC-Schaltkreises.

aqc_evolution_time = 0.2

# Each baseline Trotter step covers dt = aqc_evolution_time / 3
# The subsequent (uncompressed) step covers 1 additional dt
subsequent_evolution_time = aqc_evolution_time / 3
total_evolution_time = aqc_evolution_time + subsequent_evolution_time

# Compute exact expectation value via matrix exponentiation
H_matrix = hamiltonian.to_matrix()
U_exact = expm(-1j * H_matrix * total_evolution_time)

# Build the initial state vector (Néel state)
initial_state_vec = np.zeros(2**L)
state_idx = sum(2**i for i in range(L) if i % 2)
initial_state_vec[state_idx] = 1.0

# Evolve and compute expectation value
evolved_state = U_exact @ initial_state_vec
obs_matrix = observable.to_matrix()
exact_expval = (evolved_state.conj() @ obs_matrix @ evolved_state).real

print(f"AQC evolution time: {aqc_evolution_time}")
print(f"Subsequent evolution time: {subsequent_evolution_time:.6f}")
print(f"Total evolution time: {total_evolution_time:.6f}")
print(f"Exact expectation value: {exact_expval:.6f}")

AQC evolution time: 0.2
Subsequent evolution time: 0.066667
Total evolution time: 0.266667
Exact expectation value: -0.700899

AQC-Zielschaltkreis erzeugen

Wir konstruieren nun den Trotter-Schaltkreis, der als AQC-Ziel dienen wird. Dieser Schaltkreis verwendet viele Trotter-Schritte (32) für hohe Genauigkeit. Da er nur klassisch als MPS simuliert — und nicht auf Hardware ausgeführt — wird, ist die große Tiefe kein Problem.

aqc_target_num_trotter_steps = 32

aqc_target_circuit = initial_state_circuit.copy()
aqc_target_circuit.compose(
    generate_time_evolution_circuit(
        hamiltonian,
        synthesis=SuzukiTrotter(reps=aqc_target_num_trotter_steps),
        time=aqc_evolution_time,
    ),
    inplace=True,
)

Ansatz, Anfangsparameter, nachfolgenden Schaltkreis und Basisschaltkreis erzeugen

Als Nächstes konstruieren wir einen „guten" Schaltkreis mit derselben Entwicklungszeit wie das AQC-Ziel, aber weit weniger Trotter-Schritten (nur einem). Wir übergeben diesen Schaltkreis an generate_ansatz_from_circuit, das zurückgibt:

1. Einen allgemeinen, parametrisierten Ansatz-Schaltkreis mit derselben Zwei-Qubit-Konnektivität.
2. Anfangsparameter, die den Eingabeschaltkreis reproduzieren, wenn sie in den Ansatz eingesetzt werden.

Außerdem konstruieren wir:

• Einen nachfolgenden Schaltkreis mit einem Trotter-Schritt, der (unkomprimiert) nach dem AQC-optimierten Teil angehängt wird, gemäß dem Ansatz im AQC-Tensor-Tutorial zum Anfangszustand.
• Einen Basis-Trotter-Schaltkreis mit vier Trotter-Schritten über die gesamte Entwicklungszeit (aqc_evolution_time + subsequent_evolution_time). Dieser dient als Vergleich: Er repräsentiert, was du auf Hardware ohne AQC ausführen würdest. Der AQC-Ansatz (3 komprimierte Schritte + 1 unkomprimierter Schritt) erreicht eine bessere Genauigkeit bei geringerer Tiefe.

aqc_ansatz_num_trotter_steps = 1

aqc_good_circuit = initial_state_circuit.copy()
aqc_good_circuit.compose(
    generate_time_evolution_circuit(
        hamiltonian,
        synthesis=SuzukiTrotter(reps=aqc_ansatz_num_trotter_steps),
        time=aqc_evolution_time,
    ),
    inplace=True,
)

aqc_ansatz, aqc_initial_parameters = generate_ansatz_from_circuit(
    aqc_good_circuit
)

# Subsequent circuit: 1 non-compressed Trotter step appended after AQC
subsequent_num_trotter_steps = 1
subsequent_circuit = generate_time_evolution_circuit(
    hamiltonian,
    synthesis=SuzukiTrotter(reps=subsequent_num_trotter_steps),
    time=subsequent_evolution_time,
)

# Baseline Trotter circuit: 4 Trotter steps over total evolution time, no AQC
baseline_num_trotter_steps = 4
baseline_circuit = initial_state_circuit.copy()
baseline_circuit.compose(
    generate_time_evolution_circuit(
        hamiltonian,
        synthesis=SuzukiTrotter(reps=baseline_num_trotter_steps),
        time=total_evolution_time,
    ),
    inplace=True,
)

print(
    f"Target circuit:      depth {aqc_target_circuit.depth(lambda x: x.operation.num_qubits == 2)}"
)
print(
    f"Baseline circuit:    depth {baseline_circuit.depth(lambda x: x.operation.num_qubits == 2)} ({baseline_num_trotter_steps} Trotter steps, time={total_evolution_time:.4f})"
)
print(
    f"Subsequent circuit:  depth {subsequent_circuit.depth(lambda x: x.operation.num_qubits == 2)} ({subsequent_num_trotter_steps} Trotter step, time={subsequent_evolution_time:.4f})"
)
print(
    f"Ansatz circuit:      depth {aqc_ansatz.depth(lambda x: x.operation.num_qubits == 2)}, with {len(aqc_initial_parameters)} parameters"
)
aqc_ansatz.draw("mpl", fold=-1)

Target circuit:      depth 384
Baseline circuit:    depth 48 (4 Trotter steps, time=0.2667)
Subsequent circuit:  depth 12 (1 Trotter step, time=0.0667)
Ansatz circuit:      depth 3, with 156 parameters

Tensornetzwerk-Simulation einrichten und Ziel-MPS aufbauen

Wir verwenden den quimb-Matrix-Produkt-Zustands-Schaltkreissimulator, wobei JAX die automatische Differentiation für die gradientenbasierte Optimierung bereitstellt. Anschließend erstellen wir eine MPS-Darstellung des Zielzustands und berechnen die Anfangsfidelität zwischen dem initialen Ansatz und dem Ziel. Da es sich um ein relativ kleines Beispiel handelt, ist die Anfangsfidelität bereits sehr hoch.

simulator_settings = QuimbSimulator(
    quimb.tensor.CircuitMPS, autodiff_backend="jax"
)

aqc_target_mps = tensornetwork_from_circuit(
    aqc_target_circuit, simulator_settings
)
print("Target MPS maximum bond dimension:", aqc_target_mps.psi.max_bond())

good_mps = tensornetwork_from_circuit(aqc_good_circuit, simulator_settings)
starting_fidelity = abs(compute_overlap(good_mps, aqc_target_mps)) ** 2
print(f"Starting fidelity: {starting_fidelity:.6f}")

Target MPS maximum bond dimension: 5
Starting fidelity: 0.998246

Ansatz-Parameter optimieren

Wir minimieren die Kostenfunktion MaximizeStateFidelity mit dem L-BFGS-B-Optimierer. Der Optimierer passt die Ansatz-Parameter iterativ an, um die Fidelität zwischen dem Ansatz-Schaltkreis und dem Ziel-MPS zu maximieren.

aqc_stopping_fidelity = 1
aqc_max_iterations = 500

stopping_point = 1.0 - aqc_stopping_fidelity
objective = MaximizeStateFidelity(
    aqc_target_mps, aqc_ansatz, simulator_settings
)

def callback(intermediate_result: OptimizeResult):
    fidelity = 1 - intermediate_result.fun
    print(
        f"{datetime.datetime.now()} Intermediate result: Fidelity {fidelity:.8f}"
    )
    if intermediate_result.fun < stopping_point:
        raise StopIteration

result = minimize(
    objective,
    aqc_initial_parameters,
    method="L-BFGS-B",
    jac=True,
    options={"maxiter": aqc_max_iterations},
    callback=callback,
)
if result.status not in (0, 1, 99):
    raise RuntimeError(
        f"Optimization failed: {result.message} (status={result.status})"
    )

print(f"Done after {result.nit} iterations.")
aqc_final_parameters = result.x

2026-05-18 13:14:49.731596 Intermediate result: Fidelity 0.99952882
2026-05-18 13:14:49.734425 Intermediate result: Fidelity 0.99958531
2026-05-18 13:14:49.737101 Intermediate result: Fidelity 0.99960093
2026-05-18 13:14:49.739813 Intermediate result: Fidelity 0.99961046
2026-05-18 13:14:49.742969 Intermediate result: Fidelity 0.99962560
2026-05-18 13:14:49.745916 Intermediate result: Fidelity 0.99964395
2026-05-18 13:14:49.748615 Intermediate result: Fidelity 0.99968150
2026-05-18 13:14:49.753684 Intermediate result: Fidelity 0.99970569
2026-05-18 13:14:49.756208 Intermediate result: Fidelity 0.99973788
2026-05-18 13:14:49.759067 Intermediate result: Fidelity 0.99975385
2026-05-18 13:14:49.762321 Intermediate result: Fidelity 0.99976458
2026-05-18 13:14:49.765526 Intermediate result: Fidelity 0.99977661
2026-05-18 13:14:49.768496 Intermediate result: Fidelity 0.99978663
2026-05-18 13:14:49.771278 Intermediate result: Fidelity 0.99980236
2026-05-18 13:14:49.773735 Intermediate result: Fidelity 0.99981607
2026-05-18 13:14:49.776339 Intermediate result: Fidelity 0.99982811
2026-05-18 13:14:49.779177 Intermediate result: Fidelity 0.99985827
2026-05-18 13:14:49.782243 Intermediate result: Fidelity 0.99988354
2026-05-18 13:14:49.784904 Intermediate result: Fidelity 0.99991608
2026-05-18 13:14:49.787737 Intermediate result: Fidelity 0.99993336
2026-05-18 13:14:49.790414 Intermediate result: Fidelity 0.99993956
2026-05-18 13:14:49.793029 Intermediate result: Fidelity 0.99994421
2026-05-18 13:14:49.795585 Intermediate result: Fidelity 0.99994743
2026-05-18 13:14:49.835045 Intermediate result: Fidelity 0.99994791
2026-05-18 13:14:49.839786 Intermediate result: Fidelity 0.99994803
2026-05-18 13:14:49.842403 Intermediate result: Fidelity 0.99994898
2026-05-18 13:14:49.873779 Intermediate result: Fidelity 0.99994898
Done after 27 iterations.

Den finalen AQC-Schaltkreis zusammenstellen

Mit den optimierten Parametern binden wir sie an den Ansatz und hängen dann den nachfolgenden (unkomprimierten) Trotter-Schritt an. Der resultierende Schaltkreis hat die Tiefe eines einzelnen komprimierten Trotter-Schritts plus einem unkomprimierten Schritt, wobei der komprimierte Teil die Genauigkeit von 32 Trotter-Schritten approximiert.

aqc_final_circuit = aqc_ansatz.assign_parameters(aqc_final_parameters)
aqc_final_circuit.compose(subsequent_circuit, inplace=True)
aqc_final_circuit.draw("mpl", fold=-1)

Schritt 2: Problem für die Ausführung auf Quantenhardware optimieren

Für dieses kleinskalige Beispiel verwenden wir ein Fake-Backend (FakeKyiv), um die Hardware-Ausführung lokal zu simulieren. Wir transpilieren sowohl den AQC-optimierten Schaltkreis (aqc_final_circuit) als auch den Basis-Trotter-Schaltkreis (baseline_circuit, vier Trotter-Schritte über die gesamte Entwicklungszeit, ohne AQC) zur Befehlssatzarchitektur (ISA) des Backends, mit optimization_level=3, um die Schaltkreistiefe weiter zu reduzieren.

backend = FakeKyiv()

pass_manager = generate_preset_pass_manager(
    backend=backend, optimization_level=3
)

# Transpile the AQC-optimized circuit (compressed + subsequent step)
isa_circuit = pass_manager.run(aqc_final_circuit)
isa_observable = observable.apply_layout(isa_circuit.layout)
print(
    "AQC circuit depth:",
    isa_circuit.depth(lambda x: x.operation.num_qubits == 2),
)

# Transpile the baseline Trotter circuit (no AQC optimization)
isa_baseline_circuit = pass_manager.run(baseline_circuit)
isa_baseline_observable = observable.apply_layout(isa_baseline_circuit.layout)
print(
    "Baseline Trotter circuit depth:",
    isa_baseline_circuit.depth(lambda x: x.operation.num_qubits == 2),
)

AQC circuit depth: 15
Baseline Trotter circuit depth: 27

Schritt 3: Mit Qiskit-Primitiven ausführen

Wir verwenden das EstimatorV2-Primitiv mit dem Fake-Backend, um sowohl den AQC-optimierten Schaltkreis als auch den Basis-Trotter-Schaltkreis auszuführen und dabei die ZZ-Observable für jeden zu messen.

estimator = Estimator(backend)

# Run both circuits
aqc_result = estimator.run([(isa_circuit, isa_observable)]).result()
baseline_result = estimator.run(
    [(isa_baseline_circuit, isa_baseline_observable)]
).result()

Schritt 4: Nachbearbeitung und Rückgabe des Ergebnisses im gewünschten klassischen Format

Wir extrahieren die Erwartungswerte aus beiden Ausführungen und vergleichen sie mit dem exakten Ergebnis. Der Basis-Trotter-Schaltkreis zeigt, was wir ohne AQC bei derselben Schaltkreistiefe erhalten würden, während der AQC-Schaltkreis die Verbesserung durch die Tensornetzwerk-Optimierung demonstriert.

aqc_expval = aqc_result[0].data.evs.tolist()
baseline_expval = baseline_result[0].data.evs.tolist()

print(f"Exact:              {exact_expval:.4f}")
print(
    f"Baseline Trotter:   {baseline_expval:.4f}, |\u0394| = {np.abs(exact_expval - baseline_expval):.4f}  (depth {isa_baseline_circuit.depth(lambda x: x.operation.num_qubits == 2)}, {baseline_num_trotter_steps} steps)"
)
print(
    f"AQC (3+1):          {aqc_expval:.4f}, |\u0394| = {np.abs(exact_expval - aqc_expval):.4f}  (depth {isa_circuit.depth(lambda x: x.operation.num_qubits == 2)}, compressed+subsequent)"
)

Exact:              -0.7009
Baseline Trotter:   -0.5400, |Δ| = 0.1609  (depth 27, 4 steps)
AQC (3+1):          -0.5728, |Δ| = 0.1281  (depth 15, compressed+subsequent)

plt.style.use("seaborn-v0_8")

labels = [
    f"Baseline Trotter\n({baseline_num_trotter_steps} steps, depth {isa_baseline_circuit.depth(lambda x: x.operation.num_qubits == 2)})",
    f"AQC (3+1)\n(depth {isa_circuit.depth(lambda x: x.operation.num_qubits == 2)})",
]
values = [baseline_expval, aqc_expval]
colors = ["tab:orange", "tab:blue"]

plt.figure(figsize=(8, 5))
bars = plt.bar(labels, values, color=colors, width=0.5)
plt.axhline(
    y=exact_expval,
    color="tab:green",
    linestyle="--",
    linewidth=2,
    label=f"Exact ({exact_expval:.4f})",
)
plt.ylabel("Expected Value")
plt.title(
    "AQC-Tensor (3 compressed + 1 uncompressed) vs Baseline Trotter (10-site XXZ)"
)
plt.legend()
for bar in bars:
    y_val = bar.get_height()
    plt.text(
        bar.get_x() + bar.get_width() / 2.0,
        y_val,
        f"{y_val:.4f}",
        ha="center",
        va="bottom" if y_val >= 0 else "top",
    )
plt.axhline(y=0, color="black", linewidth=0.3)
plt.tight_layout()
plt.show()

Großskaliges Hardware-Beispiel

Wir skalieren nun auf ein 50-Gitterplatz-XXZ-Modell, um AQC-Tensor an einem realistischeren Problem zu demonstrieren. Der Workflow ist derselbe wie im kleinskaligen Beispiel: Wir komprimieren drei Trotter-Schritte via AQC und hängen einen unkomprimierten Schritt an.

Bei einem System dieser Größe ist Matrixexponentiation nicht durchführbar ($2^{50}$ Dimensionen), daher berechnen wir den Referenzerwartungswert direkt aus einem hochgenauen MPS, das für die gesamte Zeit entwickelt wurde.

Schritte 1–4 kombiniert

# -------------------------Step 1-------------------------

# Define the 50-site spin chain
L = 50
edge_list = [(i - 1, i) for i in range(1, L)]
even_edges = edge_list[::2]
odd_edges = edge_list[1::2]
coupling_map = CouplingMap(edge_list)

# Random XXZ Hamiltonian
np.random.seed(0)
Js = np.random.rand(L - 1) + 0.5 * np.ones(L - 1)
hamiltonian = SparsePauliOp(Pauli("I" * L))
for i, edge in enumerate(even_edges + odd_edges):
    hamiltonian += SparsePauliOp.from_sparse_list(
        [
            ("XX", (edge), Js[i] / 2),
            ("YY", (edge), Js[i] / 2),
            ("ZZ", (edge), Js[i]),
        ],
        num_qubits=L,
    )

observable = SparsePauliOp.from_sparse_list(
    [("ZZ", (L // 2 - 1, L // 2), 1.0)], num_qubits=L
)

# Initial Néel state
initial_state_circuit = QuantumCircuit(L)
for i in range(L):
    if i % 2:
        initial_state_circuit.x(i)

# Time parameters
aqc_evolution_time = 0.2
subsequent_evolution_time = aqc_evolution_time / 3
total_evolution_time = aqc_evolution_time + subsequent_evolution_time

# AQC target circuit (high-accuracy, 32 Trotter steps for AQC portion)
aqc_target_num_trotter_steps = 32

aqc_target_circuit = initial_state_circuit.copy()
aqc_target_circuit.compose(
    generate_time_evolution_circuit(
        hamiltonian,
        synthesis=SuzukiTrotter(reps=aqc_target_num_trotter_steps),
        time=aqc_evolution_time,
    ),
    inplace=True,
)

# Generate ansatz from 1-step Trotter circuit
aqc_good_circuit = initial_state_circuit.copy()
aqc_good_circuit.compose(
    generate_time_evolution_circuit(
        hamiltonian,
        synthesis=SuzukiTrotter(reps=1),
        time=aqc_evolution_time,
    ),
    inplace=True,
)

aqc_ansatz, aqc_initial_parameters = generate_ansatz_from_circuit(
    aqc_good_circuit
)

# Subsequent circuit: 1 non-compressed Trotter step
subsequent_circuit = generate_time_evolution_circuit(
    hamiltonian,
    synthesis=SuzukiTrotter(reps=1),
    time=subsequent_evolution_time,
)

# Baseline Trotter circuit: 4 Trotter steps over total evolution time, no AQC
baseline_num_trotter_steps = 4
baseline_circuit = initial_state_circuit.copy()
baseline_circuit.compose(
    generate_time_evolution_circuit(
        hamiltonian,
        synthesis=SuzukiTrotter(reps=baseline_num_trotter_steps),
        time=total_evolution_time,
    ),
    inplace=True,
)
print(
    f"Target circuit:  depth {aqc_target_circuit.depth(lambda x: x.operation.num_qubits == 2)}"
)
print(
    f"Ansatz circuit:  depth {aqc_ansatz.depth(lambda x: x.operation.num_qubits == 2)}, with {len(aqc_initial_parameters)} parameters"
)
print(
    f"Subsequent circuit: depth {subsequent_circuit.depth(lambda x: x.operation.num_qubits == 2)}"
)
print(
    f"Baseline circuit:   depth {baseline_circuit.depth(lambda x: x.operation.num_qubits == 2)} ({baseline_num_trotter_steps} steps, time={total_evolution_time:.4f})"
)

# Build target MPS and compute reference expectation value
simulator_settings = QuimbSimulator(
    quimb.tensor.CircuitMPS, autodiff_backend="jax"
)
aqc_target_mps = tensornetwork_from_circuit(
    aqc_target_circuit, simulator_settings
)
print("Target MPS maximum bond dimension:", aqc_target_mps.psi.max_bond())

# For the reference expectation value, we need the full evolution (AQC + subsequent)
# Build a high-accuracy full circuit for MPS reference
full_target_circuit = initial_state_circuit.copy()
full_target_circuit.compose(
    generate_time_evolution_circuit(
        hamiltonian,
        synthesis=SuzukiTrotter(reps=aqc_target_num_trotter_steps),
        time=total_evolution_time,
    ),
    inplace=True,
)
full_target_mps = tensornetwork_from_circuit(
    full_target_circuit, simulator_settings
)
exact_expval = full_target_mps.local_expectation(
    quimb.pauli("Z") & quimb.pauli("Z"), (L // 2 - 1, L // 2)
).real.item()
print(f"Reference expectation value (from MPS): {exact_expval:.6f}")

# Optimize ansatz parameters
objective = MaximizeStateFidelity(
    aqc_target_mps, aqc_ansatz, simulator_settings
)

def callback(intermediate_result: OptimizeResult):
    fidelity = 1 - intermediate_result.fun
    print(
        f"{datetime.datetime.now()} Intermediate result: Fidelity {fidelity:.8f}"
    )

result = minimize(
    objective,
    aqc_initial_parameters,
    method="L-BFGS-B",
    jac=True,
    options={"maxiter": 500},
    callback=callback,
)
if result.status not in (0, 1, 99):
    raise RuntimeError(
        f"Optimization failed: {result.message} (status={result.status})"
    )
print(f"Done after {result.nit} iterations.")

# Assemble the final AQC circuit: optimized ansatz + subsequent Trotter step
aqc_final_circuit = aqc_ansatz.assign_parameters(result.x)
aqc_final_circuit.compose(subsequent_circuit, inplace=True)

# -------------------------Step 2-------------------------

service = QiskitRuntimeService()
backend = service.least_busy(min_num_qubits=127)
print(backend)

pass_manager = generate_preset_pass_manager(
    backend=backend, optimization_level=3
)
isa_circuit = pass_manager.run(aqc_final_circuit)
isa_observable = observable.apply_layout(isa_circuit.layout)
print(
    "AQC circuit depth:",
    isa_circuit.depth(lambda x: x.operation.num_qubits == 2),
)

# Also transpile the baseline Trotter circuit (4 Trotter steps, no AQC)
isa_baseline_circuit = pass_manager.run(baseline_circuit)
isa_baseline_observable = observable.apply_layout(isa_baseline_circuit.layout)
print(
    "Baseline Trotter circuit depth:",
    isa_baseline_circuit.depth(lambda x: x.operation.num_qubits == 2),
)

# -------------------------Step 3-------------------------

# Submit both circuits in a single job
estimator = Estimator(backend)
estimator.options.environment.job_tags = ["TUT_AQCTE"]

job = estimator.run(
    [
        (isa_circuit, isa_observable),
        (isa_baseline_circuit, isa_baseline_observable),
    ]
)
print("Job ID:", job.job_id())

Target circuit:  depth 385
Ansatz circuit:  depth 7, with 816 parameters
Subsequent circuit: depth 12
Baseline circuit:   depth 49 (4 steps, time=0.2667)
Target MPS maximum bond dimension: 5
Reference expectation value (from MPS): -0.738669
2026-05-18 13:02:11.219150 Intermediate result: Fidelity 0.99795732
2026-05-18 13:02:11.232256 Intermediate result: Fidelity 0.99822481
2026-05-18 13:02:11.245160 Intermediate result: Fidelity 0.99829520
2026-05-18 13:02:11.257765 Intermediate result: Fidelity 0.99832379
2026-05-18 13:02:11.270280 Intermediate result: Fidelity 0.99836416
2026-05-18 13:02:11.284116 Intermediate result: Fidelity 0.99840073
2026-05-18 13:02:11.296856 Intermediate result: Fidelity 0.99846863
2026-05-18 13:02:11.309602 Intermediate result: Fidelity 0.99865244
2026-05-18 13:02:11.322012 Intermediate result: Fidelity 0.99872665
2026-05-18 13:02:11.334195 Intermediate result: Fidelity 0.99892335
2026-05-18 13:02:11.346570 Intermediate result: Fidelity 0.99901045
2026-05-18 13:02:11.359202 Intermediate result: Fidelity 0.99907181
2026-05-18 13:02:11.371511 Intermediate result: Fidelity 0.99911125
2026-05-18 13:02:11.383870 Intermediate result: Fidelity 0.99918585
2026-05-18 13:02:11.396184 Intermediate result: Fidelity 0.99921504
2026-05-18 13:02:11.408543 Intermediate result: Fidelity 0.99924936
2026-05-18 13:02:11.422557 Intermediate result: Fidelity 0.99929226
2026-05-18 13:02:11.436275 Intermediate result: Fidelity 0.99933099
2026-05-18 13:02:11.449511 Intermediate result: Fidelity 0.99935792
2026-05-18 13:02:11.462093 Intermediate result: Fidelity 0.99937925
2026-05-18 13:02:11.475783 Intermediate result: Fidelity 0.99940690
2026-05-18 13:02:11.490254 Intermediate result: Fidelity 0.99944409
2026-05-18 13:02:11.503292 Intermediate result: Fidelity 0.99946840
2026-05-18 13:02:11.516064 Intermediate result: Fidelity 0.99949378
2026-05-18 13:02:11.532861 Intermediate result: Fidelity 0.99951380
2026-05-18 13:02:11.546182 Intermediate result: Fidelity 0.99955313
2026-05-18 13:02:11.559168 Intermediate result: Fidelity 0.99955707
2026-05-18 13:02:11.571753 Intermediate result: Fidelity 0.99959306
2026-05-18 13:02:11.584257 Intermediate result: Fidelity 0.99960486
2026-05-18 13:02:11.597610 Intermediate result: Fidelity 0.99961714
2026-05-18 13:02:11.610106 Intermediate result: Fidelity 0.99962953
2026-05-18 13:02:11.622515 Intermediate result: Fidelity 0.99963525
2026-05-18 13:02:11.635543 Intermediate result: Fidelity 0.99964658
2026-05-18 13:02:11.649044 Intermediate result: Fidelity 0.99965027
2026-05-18 13:02:11.664148 Intermediate result: Fidelity 0.99965802
2026-05-18 13:02:11.678033 Intermediate result: Fidelity 0.99966731
2026-05-18 13:02:11.692714 Intermediate result: Fidelity 0.99967780
2026-05-18 13:02:11.706753 Intermediate result: Fidelity 0.99968567
2026-05-18 13:02:11.720780 Intermediate result: Fidelity 0.99969139
2026-05-18 13:02:11.733471 Intermediate result: Fidelity 0.99969628
2026-05-18 13:02:11.745998 Intermediate result: Fidelity 0.99970331
2026-05-18 13:02:11.758424 Intermediate result: Fidelity 0.99970796
2026-05-18 13:02:11.771986 Intermediate result: Fidelity 0.99971165
2026-05-18 13:02:11.785841 Intermediate result: Fidelity 0.99971892
2026-05-18 13:02:11.799105 Intermediate result: Fidelity 0.99972226
2026-05-18 13:02:11.811623 Intermediate result: Fidelity 0.99972441
2026-05-18 13:02:11.824114 Intermediate result: Fidelity 0.99972679
2026-05-18 13:02:11.837179 Intermediate result: Fidelity 0.99972965
2026-05-18 13:02:12.345479 Intermediate result: Fidelity 0.99972965
Done after 49 iterations.
<IBMBackend('ibm_pittsburgh')>
AQC circuit depth: 71
Baseline Trotter circuit depth: 111
Job ID: d85kc6o0bvlc73d5nhn0

# -------------------------Step 4-------------------------

hw_results = job.result()
aqc_expval = hw_results[0].data.evs.tolist()
baseline_expval = hw_results[1].data.evs.tolist()

print(f"Exact (MPS):        {exact_expval:.4f}")
print(
    f"Baseline Trotter:   {baseline_expval:.4f}, |\u0394| = {np.abs(exact_expval - baseline_expval):.4f}"
)
print(
    f"AQC (3+1):          {aqc_expval:.4f}, |\u0394| = {np.abs(exact_expval - aqc_expval):.4f}"
)

labels = [
    f"Baseline Trotter\n({baseline_num_trotter_steps} steps, depth {isa_baseline_circuit.depth(lambda x: x.operation.num_qubits == 2)})",
    f"AQC (3+1)\n(depth {isa_circuit.depth(lambda x: x.operation.num_qubits == 2)})",
]
values = [baseline_expval, aqc_expval]
colors = ["tab:orange", "tab:blue"]

plt.figure(figsize=(8, 5))
bars = plt.bar(labels, values, color=colors, width=0.5)
plt.axhline(
    y=exact_expval,
    color="tab:green",
    linestyle="--",
    linewidth=2,
    label=f"Exact ({exact_expval:.4f})",
)
plt.ylabel("Expected Value")
plt.title(
    "AQC-Tensor (3 compressed + 1 uncompressed) vs Baseline Trotter (50-site XXZ)"
)
plt.legend()
for bar in bars:
    y_val = bar.get_height()
    plt.text(
        bar.get_x() + bar.get_width() / 2.0,
        y_val,
        f"{y_val:.4f}",
        ha="center",
        va="bottom" if y_val >= 0 else "top",
    )
plt.axhline(y=0, color="black", linewidth=0.3)
plt.tight_layout()
plt.show()

Exact (MPS):        -0.7387
Baseline Trotter:   -0.5955, |Δ| = 0.1432
AQC (3+1):          -0.6734, |Δ| = 0.0653

Nächste Schritte

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