Transversales Ising-Modell mit Q-CTRLs Performance-Management
Geschätzter Verbrauch: 2 Minuten auf einem Heron-r2-Prozessor. (HINWEIS: Dies ist nur eine Schätzung. Die tatsächliche Laufzeit kann abweichen.)
Hintergrund
Das transversale Ising-Modell (Transverse-Field Ising Model, TFIM) ist wichtig für die Untersuchung von Quantenmagnetismus und Phasenübergängen. Es beschreibt eine Menge von Spins, die auf einem Gitter angeordnet sind, wobei jeder Spin mit seinen Nachbarn wechselwirkt und gleichzeitig von einem externen Magnetfeld beeinflusst wird, das Quantenfluktuationen antreibt.
Ein gängiger Ansatz zur Simulation dieses Modells ist die Trotter-Zerlegung, um den Zeitentwicklungsoperator zu approximieren, indem Schaltkreise konstruiert werden, die zwischen Einzel-Qubit-Rotationen und verschränkenden Zwei-Qubit-Wechselwirkungen wechseln. Die Simulation auf echter Hardware ist jedoch aufgrund von Rauschen und Dekohärenz herausfordernd, was zu Abweichungen von der wahren Dynamik führt. Um dies zu überwinden, verwenden wir Q-CTRLs Fire-Opal-Fehlerdämpfungs- und Performance-Management-Tools, die als Qiskit-Funktion angeboten werden (siehe die Fire-Opal-Dokumentation). Fire Opal optimiert die Schaltkreisausführung automatisch durch dynamisches Entkoppeln, erweitertes Layout, Routing und andere Fehlerdämpfungstechniken, die alle darauf abzielen, Rauschen zu reduzieren. Mit diesen Verbesserungen stimmen die Hardware-Ergebnisse besser mit rauschfreien Simulationen überein, sodass wir die TFIM-Magnetisierungsdynamik mit höherer Genauigkeit untersuchen können.
In diesem Tutorial werden wir:
- Den TFIM-Hamiltonoperator auf einem Graphen verbundener Spin-Dreiecke aufbauen
- Die Zeitentwicklung mit trotterisierten Schaltkreisen bei verschiedenen Tiefen simulieren
- Einzel-Qubit-Magnetisierungen über die Zeit berechnen und visualisieren
- Baseline-Simulationen mit Ergebnissen von Hardware-Läufen mithilfe von Q-CTRLs Fire-Opal-Performance-Management vergleichen
Überblick
Das transversale Ising-Modell (TFIM) ist ein Quantenspinmodell, das wesentliche Merkmale von Quantenphasenübergängen erfasst. Der Hamiltonoperator ist definiert als:
wobei und Pauli-Operatoren sind, die auf Qubit wirken, die Kopplungsstärke zwischen benachbarten Spins ist und die Stärke des transversalen Magnetfelds angibt. Der erste Term repräsentiert klassische ferromagnetische Wechselwirkungen, während der zweite Quantenfluktuationen durch das transversale Feld einführt. Um die TFIM-Dynamik zu simulieren, verwendest du eine Trotter-Zerlegung des unitären Entwicklungsoperators , implementiert durch Schichten von RX- und RZZ-Gates basierend auf einem benutzerdefinierten Graphen verbundener Spin-Dreiecke. Die Simulation untersucht, wie sich die Magnetisierung mit zunehmenden Trotter-Schritten entwickelt.
Die Leistung der vorgeschlagenen TFIM-Implementierung wird bewertet, indem rauschfreie Simulationen mit verrauschten Backends verglichen werden. Die erweiterten Ausführungs- und Fehlerdämpfungsfunktionen von Fire Opal werden verwendet, um den Rauscheinfluss auf echter Hardware zu mindern und zuverlässigere Schätzungen von Spin-Observablen wie und Korrelatoren zu erzielen.
Voraussetzungen
Bevor du dieses Tutorial beginnst, stelle sicher, dass du Folgendes installiert hast:
- Qiskit SDK v1.4 oder neuer, mit Visualisierungs-Unterstützung
- Qiskit Runtime v0.40 oder neuer (
pip install qiskit-ibm-runtime) - Qiskit Functions Catalog v0.9.0 (
pip install qiskit-ibm-catalog) - Fire Opal SDK v9.0.2 oder neuer (
pip install fire-opal) - Q-CTRL Visualizer v8.0.2 oder neuer (
pip install qctrl-visualizer)
Einrichtung
Authentifiziere dich zunächst mit deinem IBM Quantum API-Schlüssel. Wähle dann die Qiskit-Funktion wie folgt aus. (Dieser Code setzt voraus, dass du dein Konto bereits gespeichert hast in deiner lokalen Umgebung.)
# Added by doQumentation — required packages for this notebook
!pip install -q matplotlib networkx numpy qctrlvisualizer qiskit qiskit-aer qiskit-ibm-catalog qiskit-ibm-runtime
from qiskit.transpiler.preset_passmanagers import generate_preset_pass_manager
from qiskit import QuantumCircuit
from qiskit_ibm_catalog import QiskitFunctionsCatalog
from qiskit_ibm_runtime import QiskitRuntimeService
from qiskit_ibm_runtime import SamplerV2 as Sampler
from qiskit.quantum_info import SparsePauliOp
from qiskit_aer import AerSimulator
import numpy as np
import networkx as nx
import matplotlib.pyplot as plt
import qctrlvisualizer as qv
catalog = QiskitFunctionsCatalog(channel="ibm_quantum_platform")
# Access Function
perf_mgmt = catalog.load("q-ctrl/performance-management")
Schritt 1: Klassische Eingaben auf ein Quantenproblem abbilden
TFIM-Graphen erzeugen
Wir beginnen mit der Definition des Spin-Gitters und der Kopplungen zwischen ihnen. In diesem Tutorial wird das Gitter aus verbundenen Dreiecken aufgebaut, die in einer linearen Kette angeordnet sind. Jedes Dreieck besteht aus drei Knoten, die in einem geschlossenen Loop verbunden sind, und die Kette wird gebildet, indem ein Knoten jedes Dreiecks mit dem vorherigen Dreieck verknüpft wird.
Die Hilfsfunktion connected_triangles_adj_matrix erstellt die Adjazenzmatrix für diese Struktur. Für eine Kette von Dreiecken enthält der resultierende Graph Knoten.
def connected_triangles_adj_matrix(n):
"""
Generate the adjacency matrix for 'n' connected triangles in a chain.
"""
num_nodes = 2 * n + 1
adj_matrix = np.zeros((num_nodes, num_nodes), dtype=int)
for i in range(n):
a, b, c = i * 2, i * 2 + 1, i * 2 + 2 # Nodes of the current triangle
# Connect the three nodes in a triangle
adj_matrix[a, b] = adj_matrix[b, a] = 1
adj_matrix[b, c] = adj_matrix[c, b] = 1
adj_matrix[a, c] = adj_matrix[c, a] = 1
# If not the first triangle, connect to the previous triangle
if i > 0:
adj_matrix[a, a - 1] = adj_matrix[a - 1, a] = 1
return adj_matrix
Um das soeben definierte Gitter zu visualisieren, können wir die Kette verbundener Dreiecke darstellen und jeden Knoten beschriften. Die folgende Funktion erstellt den Graphen für eine gewählte Anzahl von Dreiecken und zeigt ihn an.
def plot_triangle_chain(n, side=1.0):
"""
Plot a horizontal chain of n equilateral triangles.
Baseline: even nodes (0,2,4,...,2n) on y=0
Apexes: odd nodes (1,3,5,...,2n-1) above the midpoint.
"""
# Build graph
A = connected_triangles_adj_matrix(n)
G = nx.from_numpy_array(A)
h = np.sqrt(3) / 2 * side
pos = {}
# Place baseline nodes
for k in range(n + 1):
pos[2 * k] = (k * side, 0.0)
# Place apex nodes
for k in range(n):
x_left = pos[2 * k][0]
x_right = pos[2 * k + 2][0]
pos[2 * k + 1] = ((x_left + x_right) / 2, h)
# Draw
fig, ax = plt.subplots(figsize=(1.5 * n, 2.5))
nx.draw(
G,
pos,
ax=ax,
with_labels=True,
font_size=10,
font_color="white",
node_size=600,
node_color=qv.QCTRL_STYLE_COLORS[0],
edge_color="black",
width=2,
)
ax.set_aspect("equal")
ax.margins(0.2)
plt.show()
return G, pos
Für dieses Tutorial verwenden wir eine Kette von 20 Dreiecken.
n_triangles = 20
n_qubits = 2 * n_triangles + 1
plot_triangle_chain(n_triangles, side=1.0)
plt.show()

Graphkanten einfärben
Um die Spin-Spin-Kopplung zu implementieren, ist es nützlich, Kanten zu gruppieren, die sich nicht überlappen. Dies ermöglicht uns, Zwei-Qubit-Gates parallel anzuwenden. Wir können dies mit einem einfachen Kanten-Färbungsverfahren [1] erreichen, das jeder Kante eine Farbe zuweist, sodass Kanten, die am selben Knoten zusammentreffen, in verschiedene Gruppen eingeteilt werden.
def edge_coloring(graph):
"""
Takes a NetworkX graph and returns a list of lists where each inner list contains
the edges assigned the same color.
"""
line_graph = nx.line_graph(graph)
edge_colors = nx.coloring.greedy_color(line_graph)
color_groups = {}
for edge, color in edge_colors.items():
if color not in color_groups:
color_groups[color] = []
color_groups[color].append(edge)
return list(color_groups.values())
Schritt 2: Problem für die Quantenhardware-Ausführung optimieren
Trotterisierte Schaltkreise auf Spin-Graphen erzeugen
Um die Dynamik des TFIM zu simulieren, konstruieren wir Schaltkreise, die den Zeitentwicklungsoperator approximieren.
Wir verwenden eine Trotter-Zerlegung zweiter Ordnung:
wobei und .
- Der -Term wird mit Schichten von
RX-Rotationen implementiert. - Der -Term wird mit Schichten von
RZZ-Gates entlang der Kanten des Wechselwirkungsgraphen implementiert.
Die Winkel dieser Gates werden durch das transversale Feld , die Kopplungskonstante und den Zeitschritt bestimmt. Durch das Stapeln mehrerer Trotter-Schritte erzeugen wir Schaltkreise zunehmender Tiefe, die die Dynamik des Systems approximieren. Die Funktionen generate_tfim_circ_custom_graph und trotter_circuits konstruieren einen trotterisierten Quantenschaltkreis aus einem beliebigen Spin-Wechselwirkungsgraphen.
def generate_tfim_circ_custom_graph(
steps, h, J, dt, psi0, graph: nx.graph.Graph, meas_basis="Z", mirror=False
):
"""
Generate a second order trotter of the form e^(a+b) ~ e^(b/2) e^a e^(b/2) for simulating a transverse field ising model:
e^{-i H t} where the Hamiltonian H = -J \\sum_i Z_i Z_{i+1} + h \\sum_i X_i.
steps: Number of trotter steps
theta_x: Angle for layer of X rotations
theta_zz: Angle for layer of ZZ rotations
theta_x: Angle for second layer of X rotations
J: Coupling between nearest neighbor spins
h: The transverse magnetic field strength
dt: t/total_steps
psi0: initial state (assumed to be prepared in the computational basis).
meas_basis: basis to measure all correlators in
This is a second order trotter of the form e^(a+b) ~ e^(b/2) e^a e^(b/2)
"""
theta_x = h * dt
theta_zz = -2 * J * dt
nq = graph.number_of_nodes()
color_edges = edge_coloring(graph)
circ = QuantumCircuit(nq, nq)
# Initial state, for typical cases in the computational basis
for i, b in enumerate(psi0):
if b == "1":
circ.x(i)
# Trotter steps
for step in range(steps):
for i in range(nq):
circ.rx(theta_x, i)
if mirror:
color_edges = [sublist[::-1] for sublist in color_edges[::-1]]
for edge_list in color_edges:
for edge in edge_list:
circ.rzz(theta_zz, edge[0], edge[1])
for i in range(nq):
circ.rx(theta_x, i)
# some typically used basis rotations
if meas_basis == "X":
for b in range(nq):
circ.h(b)
elif meas_basis == "Y":
for b in range(nq):
circ.sdg(b)
circ.h(b)
for i in range(nq):
circ.measure(i, i)
return circ
def trotter_circuits(G, d_ind_tot, J, h, dt, meas_basis, mirror=True):
"""
Generates a sequence of Trotterized circuits, each with increasing depth.
Given a spin interaction graph and Hamiltonian parameters, it constructs
a list of circuits with 1 to d_ind_tot Trotter steps
G: Graph defining spin interactions (edges = ZZ couplings)
d_ind_tot: Number of Trotter steps (maximum depth)
J: Coupling between nearest neighboring spins
h: Transverse magnetic field strength
dt: (t / total_steps
meas_basis: Basis to measure all correlators in
mirror: If True, mirror the Trotter layers
"""
qubit_count = len(G)
circuits = []
psi0 = "0" * qubit_count
for steps in range(1, d_ind_tot + 1):
circuits.append(
generate_tfim_circ_custom_graph(
steps, h, J, dt, psi0, G, meas_basis, mirror
)
)
return circuits
Einzel-Qubit-Magnetisierungen schätzen
Um die Dynamik des Modells zu untersuchen, wollen wir die Magnetisierung jedes Qubits messen, definiert durch den Erwartungswert .
In Simulationen können wir dies direkt aus den Messergebnissen berechnen. Die Funktion z_expectation verarbeitet die Bitstring-Zählungen und gibt den Wert von für einen gewählten Qubit-Index zurück. Auf echter Hardware werten wir dieselbe Größe aus, indem wir den Pauli-Operator mithilfe der Funktion generate_z_observables angeben, und dann berechnet das Backend den Erwartungswert.
def z_expectation(counts, index):
"""
counts: Dict of mitigated bitstrings.
index: Index i in the single operator expectation value < II...Z_i...I > to be calculated.
return: < Z_i >
"""
z_exp = 0
tot = 0
for bitstring, value in counts.items():
bit = int(bitstring[index])
sign = 1
if bit % 2 == 1:
sign = -1
z_exp += sign * value
tot += value
return z_exp / tot
def generate_z_observables(nq):
observables = []
for i in range(nq):
pauli_string = "".join(["Z" if j == i else "I" for j in range(nq)])
observables.append(SparsePauliOp(pauli_string))
return observables
observables = generate_z_observables(n_qubits)
Wir definieren nun die Parameter zur Erzeugung der trotterisierten Schaltkreise. In diesem Tutorial ist das Gitter eine Kette von 20 verbundenen Dreiecken, was einem 41-Qubit-System entspricht.
all_circs_mirror = []
for num_triangles in [n_triangles]:
for meas_basis in ["Z"]:
A = connected_triangles_adj_matrix(num_triangles)
G = nx.from_numpy_array(A)
nq = len(G)
d_ind_tot = 22
dt = 2 * np.pi * 1 / 30 * 0.25
J = 1
h = -7
all_circs_mirror.extend(
trotter_circuits(G, d_ind_tot, J, h, dt, meas_basis, True)
)
circs = all_circs_mirror
Schritt 3: Mit Qiskit-Primitiven ausführen
MPS-Simulation ausführen
Die Liste der trotterisierten Schaltkreise wird mit dem matrix_product_state-Simulator mit einer beliebigen Wahl von Shots ausgeführt. Die MPS-Methode liefert eine effiziente Approximation der Schaltkreisdynamik, wobei die Genauigkeit durch die gewählte Bond-Dimension bestimmt wird. Für die hier betrachteten Systemgrößen ist die Standard-Bond-Dimension ausreichend, um die Magnetisierungsdynamik mit hoher Genauigkeit zu erfassen. Die rohen Zählungen werden normiert, und daraus berechnen wir die Einzel-Qubit-Erwartungswerte bei jedem Trotter-Schritt. Schließlich berechnen wir den Durchschnitt über alle Qubits, um eine einzige Kurve zu erhalten, die zeigt, wie sich die Magnetisierung über die Zeit ändert.
backend_sim = AerSimulator(method="matrix_product_state")
def normalize_counts(counts_list, shots):
new_counts_list = []
for counts in counts_list:
a = {k: v / shots for k, v in counts.items()}
new_counts_list.append(a)
return new_counts_list
def run_sim(circ_list):
shots = 4096
res = backend_sim.run(circ_list, shots=shots)
normed = normalize_counts(res.result().get_counts(), shots)
return normed
sim_counts = run_sim(circs)
Auf Hardware ausführen
service = QiskitRuntimeService()
backend = service.backend("ibm_marrakesh")
def run_qiskit(circ_list):
shots = 4096
pm = generate_preset_pass_manager(backend=backend)
isa_circuits = [pm.run(qc) for qc in circ_list]
sampler = Sampler(mode=backend)
res = sampler.run(isa_circuits, shots=shots)
res = [r.data.c.get_counts() for r in res.result()]
normed = normalize_counts(res, shots)
return normed
qiskit_counts = run_qiskit(circs)
Auf Hardware mit Fire Opal ausführen
Wir werten die Magnetisierungsdynamik auf echter Quantenhardware aus. Fire Opal bietet eine Qiskit-Funktion, die den standardmäßigen Qiskit-Runtime-Estimator-Primitiv mit automatisierter Fehlerdämpfung und Performance-Management erweitert. Wir übermitteln die trotterisierten Schaltkreise direkt an ein IBM®-Backend, während Fire Opal die rauschbewusste Ausführung übernimmt.
Wir bereiten eine Liste von pubs vor, wobei jedes Element einen Schaltkreis und die entsprechenden Pauli-Z-Observablen enthält. Diese werden an Fire Opals Estimator-Funktion übergeben, die die Erwartungswerte für jedes Qubit bei jedem Trotter-Schritt zurückgibt. Die Ergebnisse können dann über alle Qubits gemittelt werden, um die Magnetisierungskurve von der Hardware zu erhalten.
backend_name = "ibm_marrakesh"
estimator_pubs = [(qc, observables) for qc in all_circs_mirror[:]]
# Run the circuit using the estimator
qctrl_estimator_job = perf_mgmt.run(
primitive="estimator",
pubs=estimator_pubs,
backend_name=backend_name,
options={"default_shots": 4096},
)
result_qctrl = qctrl_estimator_job.result()
Schritt 4: Ergebnis nachverarbeiten und im gewünschten klassischen Format zurückgeben
Abschließend vergleichen wir die Magnetisierungskurve aus dem Simulator mit den Ergebnissen, die auf echter Hardware erzielt wurden. Das nebeneinander dargestellte Diagramm zeigt, wie gut die Hardware-Ausführung mit Fire Opal über Trotter-Schritte hinweg mit der rauschfreien Baseline übereinstimmt.
def make_correlators(test_counts, nq, d_ind_tot):
mz = np.empty((nq, d_ind_tot))
for d_ind in range(d_ind_tot):
counts = test_counts[d_ind]
for i in range(nq):
mz[i, d_ind] = z_expectation(counts, i)
average_z = np.mean(mz, axis=0)
return np.concatenate((np.array([1]), average_z), axis=0)
sim_exp = make_correlators(sim_counts[0:22], nq=nq, d_ind_tot=22)
qiskit_exp = make_correlators(qiskit_counts[0:22], nq=nq, d_ind_tot=22)
qctrl_exp = [ev.data.evs for ev in result_qctrl[:]]
qctrl_exp_mean = np.concatenate(
(np.array([1]), np.mean(qctrl_exp, axis=1)), axis=0
)
def make_expectations_plot(
sim_z,
depths,
exp_qctrl=None,
exp_qctrl_error=None,
exp_qiskit=None,
exp_qiskit_error=None,
plot_from=0,
plot_upto=23,
):
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
depth_ticks = [0, 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22]
d = np.asarray(depths)[plot_from:plot_upto]
sim = np.asarray(sim_z)[plot_from:plot_upto]
qk = (
None
if exp_qiskit is None
else np.asarray(exp_qiskit)[plot_from:plot_upto]
)
qc = (
None
if exp_qctrl is None
else np.asarray(exp_qctrl)[plot_from:plot_upto]
)
qk_err = (
None
if exp_qiskit_error is None
else np.asarray(exp_qiskit_error)[plot_from:plot_upto]
)
qc_err = (
None
if exp_qctrl_error is None
else np.asarray(exp_qctrl_error)[plot_from:plot_upto]
)
# ---- helper(s) ----
def rmse(a, b):
if a is None or b is None:
return None
a = np.asarray(a, dtype=float)
b = np.asarray(b, dtype=float)
mask = np.isfinite(a) & np.isfinite(b)
if not np.any(mask):
return None
diff = a[mask] - b[mask]
return float(np.sqrt(np.mean(diff**2)))
def plot_panel(ax, method_y, method_err, color, label, band_color=None):
# Noiseless reference
ax.plot(d, sim, color="grey", label="Noiseless simulation")
# Method line + band
if method_y is not None:
ax.plot(d, method_y, color=color, label=label)
if method_err is not None:
lo = np.clip(method_y - method_err, -1.05, 1.05)
hi = np.clip(method_y + method_err, -1.05, 1.05)
ax.fill_between(
d,
lo,
hi,
alpha=0.18,
color=band_color if band_color else color,
label=f"{label} ± error",
)
else:
ax.text(
0.5,
0.5,
"No data",
transform=ax.transAxes,
ha="center",
va="center",
fontsize=10,
color="0.4",
)
# RMSE box (vs sim)
r = rmse(method_y, sim)
if r is not None:
ax.text(
0.98,
0.02,
f"RMSE: {r:.4f}",
transform=ax.transAxes,
va="bottom",
ha="right",
fontsize=8,
bbox=dict(
boxstyle="round,pad=0.35", fc="white", ec="0.7", alpha=0.9
),
)
# Axes
ax.set_xticks(depth_ticks)
ax.set_ylim(-1.05, 1.05)
ax.grid(True, which="both", linewidth=0.4, alpha=0.4)
ax.set_axisbelow(True)
ax.legend(prop={"size": 8}, loc="best")
fig, axes = plt.subplots(1, 2, figsize=(10, 4), dpi=300, sharey=True)
axes[0].set_title("Fire Opal (Q-CTRL)", fontsize=10)
plot_panel(
axes[0],
qc,
qc_err,
color="#680CE9",
label="Fire Opal",
band_color="#680CE9",
)
axes[0].set_xlabel("Trotter step")
axes[0].set_ylabel(r"$\langle Z \rangle$")
axes[1].set_title("Qiskit", fontsize=10)
plot_panel(
axes[1], qk, qk_err, color="blue", label="Qiskit", band_color="blue"
)
axes[1].set_xlabel("Trotter step")
plt.tight_layout()
plt.show()
depths = list(range(d_ind_tot + 1))
errors = np.abs(np.array(qctrl_exp_mean) - np.array(sim_exp))
errors_qiskit = np.abs(np.array(qiskit_exp) - np.array(sim_exp))
make_expectations_plot(
sim_exp,
depths,
exp_qctrl=qctrl_exp_mean,
exp_qctrl_error=errors,
exp_qiskit=qiskit_exp,
exp_qiskit_error=errors_qiskit,
)

Referenzen
[1] Graph coloring. Wikipedia. Abgerufen am 15. September 2025, von https://en.wikipedia.org/wiki/Graph_coloring
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