Quanten-Workloads mit QRMI ausführen
Geschätzte Laufzeit: weniger als eine Minute auf „ IBM Quantum® “-Hardware für den SQD-Abschnitt. Diese Schätzung berücksichtigt weder Wartezeiten noch die klassische Bearbeitung; die Laufzeit kann variieren.
Lernziele
- Die Rolle, die QRMI als Middleware zwischen HPC-Schedulern und der „ IBM Quantum “-Hardware spielt
- So nutzen Sie den zentralen QRMI-Lebenszyklus (
acquire→task_start→task_status→ →task_resultrelease) in Verbindung mit einem echten „ IBM® “-Backend - So verwenden Sie die übergeordneten Qiskit- und
SamplerV2QRMIService-Wrapper auf Basis von QRMI - Wie HPC-Scheduler (Slurm) Quantenressourcen über Umgebungsvariablen bereitstellen und wie Anwendungen diese nutzen
- So führen Sie einen vollständigen SQD-Chemie-Workflow (Sample-based Quantum Diagonalization) auf N n unter Verwendung von „ IBM “-Hardware über QRMI durch
Voraussetzungen
- Qiskit primitives (Stichprobenverfahren und Schätzer)
- IBM Quantum Sitzungen
- IBM Quantum Transpilation
- Sample-basierte Quantendiagonalisierung (SQD)
- Grundlegende Kenntnisse im Umgang mit virtuellen Umgebungen von „ Python “ und in der Quantenchemie
Hintergrund
Die Herausforderung der Integration von Quanten-HPC
Workflows im Bereich des Hochleistungsrechnens (HPC) erfordern häufig eine nahtlose Koordination zwischen klassischen Rechenclustern und Quantenverarbeitungseinheiten (QPUs). Verschiedene Quantenhardware-Backends und -Dienste bieten unterschiedliche Authentifizierungsmechanismen, Datenformate und APIs für den Job-Lebenszyklus. Die Integration von „ IBM Quantum “-Systemen in HPC-Workload-Manager (wie beispielsweise Slurm) erfordert eine übersichtliche, standardisierte Schnittstelle für die Ressourcenzuweisung, die Jobausführung und die Sitzungsverwaltung.
Was ist QRMI?
Die Quantum Resource Management Interface (QRMI) ist eine in Rust geschriebene Middleware-Bibliothek, die den Zugriff auf Quantenhardware von HPC-Schedulern und klassischen Anwendungen aus vereinheitlicht. Es stellt eine einzige, einheitliche Lebenszyklus-API bereit:
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ HPC Application Layer │
│ (Slurm job script / Python workflow / CUDA-Q) │
└───────────────────────────┬─────────────────────────────────────┘
│ QRMI API
│ acquire() / task_start() / task_result() / release()
┌───────────────────────────▼─────────────────────────────────────┐
│ QRMI Core (Rust) │
│ Python bindings · C bindings · Lua bindings │
└───────────────────────────┬─────────────────────────────────────┘
│
IBM Quantum Compute Service / IBM Quantum System
QRMI wird als Open-Source-Projekt unter github.com/qiskit-community/qrmi veröffentlicht und in der Übersichtsarbeit arXiv:2506.10052 beschrieben.
Wichtige Gestaltungsentscheidungen
Der Lebenszyklus der Ressource, nicht die Schaltkreiskompilierung. QRMI verwaltet den Lebenszyklus „Erfassen/Übermitteln/Abfragen/Freigeben“ und sonst nichts. Die Schaltkreiskompilierung, -optimierung und -transpilation erfolgen weiterhin auf der Anwendungsebene (beispielsweise in Qiskit). Dadurch bleibt die Benutzeroberfläche minimalistisch und modular.
Modell zur Anbieterunabhängigkeit. Zwar stellt QRMI für alle unterstützten Hardware-Backends gemeinsame Aufrufe zur Auftragsverwaltung (acquire, task_start, task_status, task_result, release) bereit, doch erfordert ein Wechsel des Anbieters auch unterschiedliche Kompilierungsdurchläufe, eine anbieterspezifische Erstellung der Nutzdaten sowie die Dekodierung der Ergebnisse in der Anwendungsschicht.
Natives „ IBM “-Nutzdatenformat. Für „ IBM Quantum “-Backends verwendet QRMI JSON-Nutzdaten vom Typ „ OpenQASM “ 3 (QiskitPrimitive), die dem Schema „ Qiskit Runtime “ entsprechen.
Konfiguration über Umgebungsvariablen. Anmeldedaten und Endpunkt-URLs werden zur Laufzeit aus Umgebungsvariablen ausgelesen. In einem HPC-Cluster werden diese vom Slurm-QRMI-SPANK-Plugin automatisch festgelegt, wenn ein Job gestartet wird. In einem Notebook oder einer interaktiven Sitzung laden Sie sie aus einer Datei .env . Der Anwendungscode enthält niemals fest codierte Anmeldedaten oder Endpunkt-URLs.
Integration des HPC-Schedulers über GRES. Wenn ein Slurm-Job über die QRMI-SPANK-Plugin-Schnittstelle (#SBATCH --gres=qpu:1 und #SBATCH --qpu=ibm_kingston) Quantum-Ressourcen anfordert, fügt das Plugin QRMI_JOB_QPU_RESOURCES und QRMI_JOB_QPU_TYPES in die Jobumgebung ein. Anwendungen rufen die Schnittstelle auf, um get_job_qpu_resources_and_types() zu ermitteln, welche Ressourcen zugewiesen wurden – fest codierte Backend-Namen sind nicht erforderlich. QRMIService verpackt dieses Muster für Qiskit-Nutzer.
Die wichtigsten API-Aufrufe
Anruf | Zweck |
|---|---|
qrmi.acquire() | Erwirbt Zugriff auf die Ressource (beispielsweise durch Öffnen einer dedizierten Sitzung); gibt ein Sperr-Token zurück |
qrmi.target() | Backend-Funktionen (Qubits, Gatter, Kopplungskarte) als JSON abrufen |
qrmi.task_start(payload) | Einen Quantenjob übermitteln; gibt eine Job-ID zurück |
qrmi.task_status(job_id) | Status der Abfrage abrufen (Queued, Running, Completed, Failed) |
qrmi.task_result(job_id) | Ergebnisse abgeschlossener Aufträge als JSON-Rohzeichenfolge abrufen |
qrmi.task_stop(job_id) | Einen Auftrag abbrechen oder bereinigen |
qrmi.release(lock) | Die Ressourcensperre aufheben (beispielsweise die Sitzung schließen) |
Inhalt dieses Tutorials
Dieses Tutorial gliedert sich in zwei Teile:
Schritte 1–3 (Beispiele im kleinen Maßstab): Einführung in die QRMI-API anhand einer einfachen Demonstration einer Schaltung im Bell-Zustand auf der „ IBM Quantum “-Hardware, wobei sowohl die direkte Verwendung von Primitiven auf niedriger Ebene als auch die Verwendung auf hoher Ebene QRMIService sowie die SamplerV2 Integration behandelt werden.
Beispiel für groß angelegte Hardware-Berechnungen: Ein vollständiger SQD-Workflow für das N -Molekül bei einem Bindungsabstand von 1.0 (Basisraum „ cc-pVDZ “, 26 räumliche Orbitale / 52 Qubits), ausgeführt auf IBM Quantum -Hardware über QRMI. SQD kombiniert die Quantenabtastung eines mit konstruierten LUCJ-Ansatzes ffsim mit der selbstkonsistenten Konfigurationswiederherstellung mittels qiskit-addon-sqd.
Anforderungen
Bevor Sie mit dieser Anleitung beginnen, stellen Sie bitte sicher, dass die folgenden Komponenten installiert sind.
Python Einrichtung der Umgebung
Vorkompilierte Binär-Wheels für „ Linux “ sind unter PyPI, verfügbar, sodass die Standardversion direkt auf Linux /HPC-Systemen pip install läuft.
python3 -m venv ~/.venvs/qrmi-ibm
source ~/.venvs/qrmi-ibm/bin/activate
python -m pip install "qrmi[ibm]" python-dotenv pyscf ffsim qiskit-addon-sqd matplotlib ipykernel
python -m ipykernel install --user --name qrmi-ibm --display-name "QRMI IBM"Wenn Sie QRMI aus dem Quellcode kompilieren pip , stellen Sie sicher, dass Sie über eine moderne Rust-Toolchain (Rust ≥ 1.91.1 verfügen, die über rustup rustup.rs installiert wurde.
Wählen Sie in Jupyter den QRMI- IBM -Kernel aus, starten Sie ihn anschließend neu und führen Sie die Notebook-Zellen der Reihe nach aus. Die gespeicherten Ausgaben stammen aus dem Hardware-Lauf des Mitwirkenden; in den Installationsbefehlen sind die genauen Versionen, die für diesen Lauf verwendet wurden, nicht angegeben.
Berechtigungsnachweise erforderlich
- IBM Quantum : IAM-API-Schlüssel und Service- CRN en von IBM Quantum Platform
Für die eigenständige Ausführung erstellen Sie neben diesem Notizbuch eine Datei .env mit den folgenden Werten und ersetzen Sie dabei die Platzhalter für die Anmeldedaten. Behandle diese Datei vertraulich. Wenn Sie ein anderes Backend auswählen, aktualisieren Sie sowohl dessen Namen als auch die Präfixe der Umgebungsvariablen.
ibm_kingston_QRMI_IBM_QCS_ENDPOINT=https://quantum.cloud.ibm.com/api/v1
ibm_kingston_QRMI_IBM_QCS_IAM_ENDPOINT=https://iam.cloud.ibm.com
ibm_kingston_QRMI_IBM_QCS_IAM_APIKEY=<your-iam-api-key>
ibm_kingston_QRMI_IBM_QCS_SERVICE_CRN=<your-crn-starting-with-crn:v1:>
ibm_kingston_QRMI_IBM_QCS_SESSION_MODE=dedicated
ibm_kingston_QRMI_IBM_QCS_SESSION_MAX_TTL=28800
QRMI_JOB_QPU_RESOURCES=ibm_kingston
QRMI_JOB_QPU_TYPES=ibm-quantum-compute-service
Verwenden Sie für eine Slurm-Zuweisung die vom Cluster bereitgestellten Ressourceneinstellungen und Anmeldedaten. Das Notizbuch behält die vorhandenen Umgebungswerte bei.
Einrichtung
Importieren Sie die Abhängigkeiten und laden Sie die Ressourcenkonfiguration.
import os
import time
import json
import numpy as np
from dotenv import load_dotenv
from qrmi import (
QuantumResource,
ResourceType,
Payload,
TaskStatus,
get_job_qpu_resources_and_types,
)
from qrmi.primitives import QRMIService
from qrmi.primitives.ibm import SamplerV2, get_target
from qiskit import QuantumCircuit, qasm3
from qiskit.circuit.library import efficient_su2
from qiskit.primitives.containers.sampler_pub import SamplerPub
from qiskit.transpiler.preset_passmanagers import generate_preset_pass_manager
# Load credentials from .env without overriding already-set scheduler environment variables
load_dotenv(override=False)
# Preserve resources if injected by Slurm SPANK plugin; fallback to default for interactive run
BACKEND_NAME = os.environ.get("QRMI_JOB_QPU_RESOURCES", "ibm_kingston")
os.environ.setdefault("QRMI_JOB_QPU_RESOURCES", BACKEND_NAME)
os.environ.setdefault("QRMI_JOB_QPU_TYPES", "ibm-quantum-compute-service")
print(f"Backend: {BACKEND_NAME}")
print("Environment ready.")Output:
Backend: ibm_kingston
Environment ready.
Beispiele im kleinen Maßstab
In den Schritten 1–3 wird die QRMI-API anhand einfacher Schaltungen vorgestellt. Jeder Schritt entspricht einer Kernphase des QRMI-Lebenszyklus in Bezug auf die „ IBM Quantum “-Hardware.
Die Nutzlast für diese ersten Schritte ist eine kleine Bell-Zustandsschaltung, die so ausgewählt wurde, dass sie schnell und kostengünstig betrieben werden kann.
In diesen Beispielen wird Hardware verwendet, da sie die Zuweisung von Remote-Ressourcen und die Auftragsverwaltung veranschaulichen. Ein lokaler Schaltungssimulator überprüft die Integration des QRMI-Dienstes und des Schedulers nicht. Durch die Ausführung dieses Notebooks werden „ IBM Quantum “-Jobs übermittelt, wofür Zugriff auf das konfigurierte Backend erforderlich ist.
Schritt 1: Das klassische Problem auf eine Quantenressource abbilden
Der erste Schritt in jedem QRMI-Workflow besteht darin, ein Objekt QuantumResource anzulegen und zu überprüfen, ob es zugänglich ist.
get_target() ruft die Hardwarebeschreibung des Backends ab (Anzahl der Qubits, Basisgatter, Kopplungskarte) und verpackt sie als Qiskit-Objekt Target , das der Transpiler in Schritt 2 verwendet.
Schritt 2: Optimierung des Problems für die Ausführung auf Quantenhardware
Verwenden Sie vor der Einreichung Qiskit, um die Schaltung unter Verwendung des in Schritt 1 abgerufenen Objekts Target in die Befehlssatzarchitektur (ISA) des Backends zu transpilieren.
Im Beispiel wird anschließend ein erstellt Payload.QiskitPrimitive, der die Schaltkreis-Zeichenkette „ OpenQASM 3“ sowie die Job-Metadaten in das Primitivschema „ IBM “ einbindet.
Schritt 3: Ausführung mithilfe von QRMI-Primitiven
Nachdem die Nutzlast erstellt wurde, übermittelt das Beispiel den Auftrag und fragt ab, ob dieser abgeschlossen ist. task_start() gibt sofort eine Job-ID zurück; task_status() wird so lange abgefragt, bis der Status nicht mehr Queued/ istRunning. Die Ergebnisse werden als JSON-Rohzeichenfolge abgerufen und geparst, um Messwerte zu extrahieren.
Die folgende Zelle fasst die Erfassung, Ausführung und Bereinigung zusammen, sodass auch bei Fehlern nach der Erfassung eine dem Notebook gehörende Sitzung freigegeben wird.
# ── IBM Quantum ───────────────────────────────────────────────────────
qrmi = QuantumResource(BACKEND_NAME, ResourceType.IBMQuantumComputeService)
# ResourceType.IBMQuantumSystem is the alternative for directly provisioned systems
print(f"Resource id: {qrmi.resource_id()}")
print(f"Resource type: {qrmi.resource_type()}")
print(f"Accessible: {qrmi.is_accessible()}")
# Acquire exclusive access — open try/finally immediately so every
# subsequent failure (target retrieval, transpilation, submission) is covered.
# Release is skipped when running under Slurm: the SPANK plugin owns the
# session lifecycle and will release it when the job finishes.
lock = qrmi.acquire()
print(f"Lock token: {lock}")
try:
# Retrieve backend capabilities
transpiler_target = get_target(
qrmi
) # calls qrmi.target() and parses the JSON
target_json = json.loads(qrmi.target().value)
config = target_json.get("configuration", {})
print(f"\nBackend: {config.get('backend_name', 'unknown')}")
print(f"Qubits: {config.get('n_qubits', 'unknown')}")
print(f"Gates: {config.get('basis_gates', [])}")
# ── IBM Quantum ───────────────────────────────────────────────────
# Build a Bell state circuit
qc = QuantumCircuit(2)
qc.h(0)
qc.cx(0, 1)
qc.measure_all()
print(qc.draw("text"))
# Transpile to ISA using the target retrieved in Step 1
pm = generate_preset_pass_manager(
optimization_level=1, target=transpiler_target
)
isa_circuit = pm.run(qc)
print(f"\nTranspiled gate counts: {isa_circuit.count_ops()}")
# Build the QRMI payload
# Payload.QiskitPrimitive wraps the IBM SamplerV2 input schema:
# pubs: list of [qasm3_string, parameter_values] (shots goes at top level)
# program_id: "sampler" or "estimator"
shots = 1024
pub = SamplerPub.coerce((isa_circuit,), shots)
qasm3_str = qasm3.dumps(
pub.circuit,
disable_constants=True,
allow_aliasing=True,
experimental=qasm3.ExperimentalFeatures.SWITCH_CASE_V1,
)
# Parameter values as a flat list (empty for non-parametric circuits)
param_array = pub.parameter_values.as_array(
pub.circuit.parameters
).tolist()
input_json = {
"pubs": [
[qasm3_str, param_array]
], # list-of-lists; shots at top level
"version": 2,
"support_qiskit": False, # True returns binary-encoded Qiskit result
"shots": shots,
}
payload = Payload.QiskitPrimitive(
input=json.dumps(input_json), program_id="sampler"
)
print("Payload ready")
# ── IBM Quantum ───────────────────────────────────────────────────
# Submit the job
job_id = qrmi.task_start(payload)
print(f"Job submitted: {job_id}")
# Poll until complete
while True:
status = qrmi.task_status(job_id)
print(f" Status: {status}")
if status not in [TaskStatus.Running, TaskStatus.Queued]:
break
time.sleep(5)
print(f"\nFinal status: {status}")
# Retrieve results
# support_qiskit=False → plain JSON; parse directly without ResultDecoder
if status == TaskStatus.Completed:
raw = qrmi.task_result(job_id).value
result = json.loads(raw)
# IBM QCS plain-JSON result shape: {"results": [{"data": {"meas": {"samples": [...]}}}]}
# samples is a list of hex-encoded integers; decode to zero-padded bitstrings
samples = result["results"][0]["data"]["meas"]["samples"]
num_bits = sum(reg.size for reg in isa_circuit.cregs)
from collections import Counter
counts = Counter(format(int(s, 16), f"0{num_bits}b") for s in samples)
print(f"\nMeasurement counts: {dict(counts.most_common(8))}")
qrmi.task_stop(job_id)
else:
print(f"Job did not complete. Logs:\n{qrmi.task_logs(job_id)}")
finally:
# Release only in interactive sessions; under Slurm the SPANK plugin
# manages the session lifecycle and calling release() here would
# prematurely close a session it does not own.
if not os.environ.get("SLURM_JOB_ID"):
qrmi.release(lock)
print("\nSession released.")Output:
Resource id: ibm_kingston
Resource type: ResourceType.IBMQuantumComputeService
Accessible: True
Lock token: 2ff43011-aed1-4436-a4df-40f37ec588b7
Backend: ibm_kingston
Qubits: 156
Gates: ['cz', 'id', 'rx', 'rz', 'rzz', 'sx', 'x', 'xslow']
┌───┐ ░ ┌─┐
q_0: ┤ H ├──■───░─┤M├───
└───┘┌─┴─┐ ░ └╥┘┌─┐
q_1: ─────┤ X ├─░──╫─┤M├
└───┘ ░ ║ └╥┘
meas: 2/══════════════╩══╩═
0 1
Transpiled gate counts: OrderedDict([('rz', 6), ('sx', 3), ('measure', 2), ('cz', 1), ('barrier', 1)])
Payload ready
Job submitted: dai43g8mhr3c73e7a7o0
Status: TaskStatus.Queued
Status: TaskStatus.Running
Status: TaskStatus.Completed
Final status: TaskStatus.Completed
Measurement counts: {'11': 487, '00': 254, '01': 177, '10': 106}
Session released.
Qiskit-Schnittstelle auf höherer Ebene: QRMIService und SamplerV2
Der oben dargestellte „Raw“-Lebenszyklus ermöglicht eine explizite Steuerung jedes Aufrufs. Für Standard-Qiskit-Workflows stellt QRMI eine Primitive SamplerV2 zur Implementierung bereit BaseSamplerV2.
SamplerV2 übernimmt die Serialisierung der Nutzdaten, die Übermittlung (task_start), die Abfrage und die Dekodierung der Ergebnisse. In einer HPC-Batch-Umgebung (beispielsweise mit Slurm) werden die Zuweisung und Freigabe von Ressourcen durch den Scheduler und das SPANK-Plugin verwaltet. In einer interaktiven „ Python “-Sitzung, bei der direkte Low-Level-API-Objekte verwendet werden, release() können und acquire() zur expliziten Verwaltung dedizierter Sitzungen genutzt werden.
# QRMIService reads QRMI_JOB_QPU_RESOURCES / QRMI_JOB_QPU_TYPES set in Setup or Slurm
service = QRMIService()
qrmi_svc = service.resources()[0]
print(f"Using: {qrmi_svc.resource_id()} ({qrmi_svc.resource_type()})")
# Build an EfficientSU2 circuit
circuit = efficient_su2(5, entanglement="linear")
circuit.measure_all()
param_values = np.random.rand(circuit.num_parameters)
pm = generate_preset_pass_manager(
optimization_level=1, target=get_target(qrmi_svc)
)
isa_circuit = pm.run(circuit)
# SamplerV2 executes jobs against the QRMI resource and decodes results into primitive containers
sampler = SamplerV2(qrmi_svc, options={"default_shots": 1024})
job = sampler.run([(isa_circuit, param_values)])
print(f"Job ID: {job.job_id()} | Status: {job.status()}")
# Poll with retry — re-raise immediately on permanent failures;
# only retry on transient network/timeout errors (connection resets, 503s).
_TRANSIENT = (
"503",
"Service Unavailable",
"ConnectionError",
"TimeoutError",
"timed out",
"Connection reset",
)
result = None
for attempt in range(60):
try:
result = job.result() # blocks until complete
break
except Exception as e:
if not any(tok in str(e) for tok in _TRANSIENT):
raise
print(f" Transient error on attempt {attempt + 1}: {e}")
time.sleep(10)
if result is not None:
counts = result[0].data.meas.get_counts()
print(f"Counts (first 5): {dict(list(counts.items())[:5])}")
else:
print("Job did not complete after retries.")
if job.errored():
print(f"Logs:\n{job.logs()}")Output:
Using: ibm_kingston (ResourceType.IBMQuantumComputeService)
Job ID: dai43jj9k43c73afhrhg | Status: JobStatus.QUEUED
Counts (first 5): {'00010': 66, '00100': 28, '11000': 71, '00110': 23, '10100': 14}
HPC-Kontext: Slurm-Ressourcenzuweisung
In einem HPC-Cluster beantragen Nutzer Quantenressourcen mithilfe der Slurm-GRES-Syntax in Verbindung mit den Optionen des QRMI-SPANK-Plugins. Das Plugin übernimmt die Einbindung von Anmeldedaten und Ressourcen automatisch:
#SBATCH --gres=qpu:1
#SBATCH --qpu=ibm_kingston
python my_workflow.py # QRMI_JOB_QPU_RESOURCES and QRMI_JOB_QPU_TYPES are already setDer Anwendungscode erkennt die ihm zugewiesenen Ressourcen zur Laufzeit – es gibt keine fest codierten Backend-Namen:
# get_job_qpu_resources_and_types() reads QRMI_JOB_QPU_RESOURCES / QRMI_JOB_QPU_TYPES
# set by the Slurm SPANK plugin (or manually above in Setup)
qpus, qpu_types = get_job_qpu_resources_and_types()
print("Resources allocated by scheduler:")
for qpu, qpu_type in zip(qpus, qpu_types):
print(f" {qpu} ({qpu_type})")
# QRMIService wraps this into a list of ready QuantumResource objects
for r in QRMIService().resources():
print(
f"\nQRMIService found: {r.resource_id()} accessible={r.is_accessible()}"
)Output:
Resources allocated by scheduler:
ibm_kingston (ibm-quantum-compute-service)
QRMIService found: ibm_kingston accessible=True
Beispiel für groß angelegte Hardware: SQD auf N
Hier fügen wir alle Komponenten zu einem vollständigen quantenchemischen Workflow in größerem Maßstab zusammen, der über QRMI auf echter „ IBM Quantum “-Hardware ausgeführt wird.
SQD vereint Folgendes:
- Quantenabtastung eines „Local Unitary Cluster Jastrow“ (LUCJ)-Ansatzes, der unter Verwendung von … konstruiert
ffsimund anhand von CCSD-Amplituden initialisiert wurde - Hardware-orientierte Transpilation, die der „Heavy-Hex“-Gittertopologie entspricht, über
generate_lucj_pass_manager - Ausführung von Abtastvorgängen auf „ IBM Quantum “-Hardware, die über und
QRMIServiceQRMI verwaltet wirdSamplerV2 - Klassische Nachbearbeitung: selbstkonsistente Konfigurationswiederherstellung und iterative Subraumdiagonalisierung unter Verwendung von
qiskit-addon-sqd
Wir wenden SQD auf N- bei einem Bindungsabstand von 1.0 an, wobei der aktive Raum aus dem cc-pVDZ Basissatz abgeleitet wird (26 räumliche Orbitale, was 52 Spin-Orbitalen/Qubits entspricht).
Referenzenergie für N /cc-pVDZ -Aktivraum (Bindungsabstand 1.0 ):
- Referenzenergie (separate SCI-Berechnung): − 109.22802922 Ha
Der unten aufgeführte SQD-Lauf demonstriert die erfolgreiche End-to-End-Ausführung von QRMI auf einer „ IBM Quantum “-Hardware. Bei einer einzigen LUCJ-Wiederholung und 100.000 Iterationen liegt das Ergebnis etwa 23.7 kcal/mol über der Referenzenergie und erreicht keine chemische Genauigkeit (≤ 1 kcal/mol). Eine Änderung n_reps der Anzahl der Schüsse oder der Anzahl der SQD-Iterationen könnte die Genauigkeit verbessern, erfordert jedoch weitere Tests.
In dem gespeicherten Durchlauf hat der ffsim Pass-Manager die Wechselwirkungen mit entgegengesetztem Spin entfernt (24, 24) , (20, 20) da das Backend diese nicht verarbeiten konnte. Die dargestellten Ergebnisse basieren auf dieser angepassten Schaltung.
from qrmi.primitives.ibm import get_backend
import math
import os
import time
from functools import partial
from dotenv import load_dotenv
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import pyscf
import pyscf.gto
import pyscf.scf
import pyscf.cc
import pyscf.mcscf
import pyscf.ao2mo
import ffsim
import ffsim.qiskit
from qiskit import QuantumCircuit, QuantumRegister
from qiskit_addon_sqd.fermion import (
SCIResult,
diagonalize_fermionic_hamiltonian,
solve_sci_batch,
)
from qrmi.primitives import QRMIService
from qrmi.primitives.ibm import SamplerV2, get_target
load_dotenv(override=False)
os.environ.setdefault("QRMI_JOB_QPU_RESOURCES", "ibm_kingston")
os.environ.setdefault("QRMI_JOB_QPU_TYPES", "ibm-quantum-compute-service")
# ── Step 1: Map classical inputs to a quantum problem ─────────────────
# Build N2 molecule at 1.0 Å bond distance
mol = pyscf.gto.Mole()
mol.build(
atom=[["N", (0, 0, 0)], ["N", (1.0, 0, 0)]],
basis="cc-pvdz",
symmetry="Dooh",
)
# Define active space: freeze 2 core orbitals
n_frozen = 2
active_space = range(n_frozen, mol.nao_nr())
# Get molecular integrals
scf = pyscf.scf.RHF(mol).run()
norb = len(active_space)
n_electrons = int(sum(scf.mo_occ[active_space]))
n_alpha = (n_electrons + mol.spin) // 2
n_beta = (n_electrons - mol.spin) // 2
nelec = (n_alpha, n_beta)
cas = pyscf.mcscf.CASCI(scf, norb, nelec)
mo = cas.sort_mo(active_space, base=0)
hcore, nuclear_repulsion_energy = cas.get_h1cas(mo)
eri = pyscf.ao2mo.restore(1, cas.get_h2cas(mo), norb)
# Reference energy from external SCI calculation
reference_energy = -109.22802921665716
print(
f"N₂/cc-pVDZ active space: {norb} orbitals ({2 * norb} qubits), {nelec} electrons"
)
print(f"SCF energy: {scf.e_tot:.8f} Ha")
print(f"Reference energy: {reference_energy:.8f} Ha")
# Get CCSD amplitudes for initializing the LUCJ ansatz
ccsd = pyscf.cc.CCSD(
scf, frozen=[i for i in range(mol.nao_nr()) if i not in active_space]
).run()
t1 = ccsd.t1
t2 = ccsd.t2
print(f"CCSD energy: {ccsd.e_tot:.8f} Ha")
# Discover backend via QRMIService (QRMI_JOB_QPU_RESOURCES set in Setup)
service = QRMIService()
qrmi_sqd = service.resources()[0]
print(f"Using QRMI resource: {qrmi_sqd.resource_id()}")
# get_backend() wraps the QRMI resource as a Qiskit backend for layout synthesis
backend = get_backend(qrmi_sqd)
# Set ansatz properties
n_reps = 1
pairs_aa = [(p, p + 1) for p in range(norb - 1)]
pairs_ab = None
# Create pass manager adapted to hardware heavy-hex topology
pass_manager, pairs_ab = ffsim.qiskit.generate_lucj_pass_manager(
backend=backend,
norb=norb,
connectivity="heavy-hex",
interaction_pairs=(pairs_aa, pairs_ab),
optimization_level=3,
)
# Create the compressed LUCJ ansatz operator
ucj_op = ffsim.UCJOpSpinBalanced.from_t_amplitudes(
t2=t2,
t1=t1,
n_reps=n_reps,
interaction_pairs=(pairs_aa, pairs_ab),
optimize=True,
options=dict(maxiter=1000),
)
# Assemble the circuit
qubits = QuantumRegister(2 * norb, name="q")
circuit = QuantumCircuit(qubits)
circuit.append(ffsim.qiskit.PrepareHartreeFockJW(norb, nelec), qubits)
circuit.append(ffsim.qiskit.UCJOpSpinBalancedJW(ucj_op), qubits)
circuit.measure_all()
print(f"LUCJ circuit: {circuit.num_qubits} qubits, depth {circuit.depth()}")
# ── Step 2: Optimize for quantum hardware execution ───────────────────
isa_circuit = pass_manager.run(circuit)
print(f"Transpiled gate counts: {isa_circuit.count_ops()}")
# ── Step 3: Execute using Qiskit primitives (QRMI SamplerV2) ─────────
sampler = SamplerV2(qrmi_sqd, options={"default_shots": 100_000})
# sampler.options.environment.job_tags = ["TUT_SQD"]
job = sampler.run([(isa_circuit,)])
print(f"Job submitted via QRMI: {job.job_id()} | Status: {job.status()}")
print("Waiting for results from hardware...")
_TRANSIENT = (
"503",
"Service Unavailable",
"ConnectionError",
"TimeoutError",
"timed out",
"Connection reset",
)
primitive_result = None
for attempt in range(120):
try:
primitive_result = job.result()
break
except Exception as e:
if not any(tok in str(e) for tok in _TRANSIENT):
raise
print(f" Transient error on attempt {attempt + 1}: {e}")
time.sleep(10)
if primitive_result is None:
raise RuntimeError("Job did not complete after retries")
pub_result = primitive_result[0]
bit_array = pub_result.data.meas
print(f"Total shots collected: {bit_array.num_shots}")
# ── Step 4: Post-process and return result in classical format ────────
def is_valid_bitstring(
bitstring: str, norb: int, nelec: tuple[int, int]
) -> bool:
n_a, n_b = nelec
return (
len(bitstring) == 2 * norb
and bitstring[norb:].count("1") == n_a
and bitstring[:norb].count("1") == n_b
)
num_valid = sum(
is_valid_bitstring(b, norb, nelec) for b in bit_array.get_bitstrings()
)
valid_fraction = num_valid / bit_array.num_shots
expected_random = (
math.comb(norb, n_alpha) * math.comb(norb, n_beta) / (2 ** (2 * norb))
)
print(f"Fraction of valid configurations sampled: {valid_fraction:.5f}")
print(f"Expected fraction from uniform random: {expected_random:.4e}")
# Configure SQD eigensolver
energy_tol = 1e-3
occupancies_tol = 1e-3
max_iterations = 5
num_batches = 3
samples_per_batch = 300
symmetrize_spin = True
carryover_threshold = 1e-4
max_cycle = 200
# Hartree-Fock initial occupancy guess
initial_occupancies = (
np.array([1] * n_alpha + [0] * (norb - n_alpha)),
np.array([1] * n_beta + [0] * (norb - n_beta)),
)
sci_solver = partial(solve_sci_batch, spin_sq=0.0, max_cycle=max_cycle)
result_history = []
def callback(results: list[SCIResult]):
result_history.append(results)
iteration = len(result_history)
print(f"Iteration {iteration}")
for i, res in enumerate(results):
subspace_dim = np.prod(res.sci_state.amplitudes.shape)
print(
f" Subsample {i}: Energy = {res.energy + nuclear_repulsion_energy:.8f} Ha | Subspace dim = {subspace_dim}"
)
print("\nRunning SQD post-processing...")
rng = np.random.default_rng(42)
sqd_result = diagonalize_fermionic_hamiltonian(
hcore,
eri,
bit_array,
samples_per_batch=samples_per_batch,
norb=norb,
nelec=nelec,
num_batches=num_batches,
energy_tol=energy_tol,
occupancies_tol=occupancies_tol,
max_iterations=max_iterations,
sci_solver=sci_solver,
symmetrize_spin=symmetrize_spin,
initial_occupancies=initial_occupancies,
carryover_threshold=carryover_threshold,
callback=callback,
seed=rng,
)
final_energy = sqd_result.energy + nuclear_repulsion_energy
energy_error = final_energy - reference_energy
print("\n=== Energy Summary (N₂/cc-pVDZ active space) ===")
print(f"SCF energy: {scf.e_tot:.8f} Ha")
print(f"Reference energy: {reference_energy:.8f} Ha")
print(f"Final SQD energy: {final_energy:.8f} Ha")
print(
f"Energy error: {energy_error:.8f} Ha ({abs(energy_error) * 627.5:.4f} kcal/mol)"
)
# ── Visualization ─────────────────────────────────────────────────────
x1 = range(len(result_history))
min_e = [
min(res, key=lambda r: r.energy).energy + nuclear_repulsion_energy
for res in result_history
]
e_diff = [abs(e - reference_energy) for e in min_e]
chem_accuracy = 0.001 # ~1 mHa / ~0.6 kcal/mol
y2 = np.sum(sqd_result.orbital_occupancies, axis=0)
x2 = range(len(y2))
fig, axs = plt.subplots(1, 2, figsize=(12, 5))
# Energies convergence plot
axs[0].plot(x1, e_diff, label="Energy error", marker="o")
axs[0].set_xticks(list(x1))
axs[0].set_xticklabels(list(x1))
axs[0].set_yscale("log")
axs[0].axhline(
y=chem_accuracy,
color="#BF5700",
linestyle="--",
label="Chemical accuracy (1 mHa)",
)
axs[0].set_title("SQD Energy Error vs Iteration")
axs[0].set_xlabel("Iteration")
axs[0].set_ylabel("Energy Error (Ha)")
axs[0].legend()
# Spatial orbital occupancy plot
axs[1].bar(x2, y2, width=0.8)
axs[1].set_xticks(list(x2)[::2])
axs[1].set_xticklabels(list(x2)[::2])
axs[1].set_title("Avg Occupancy per Spatial Orbital")
axs[1].set_xlabel("Spatial Orbital Index")
axs[1].set_ylabel("Avg Occupancy")
plt.tight_layout()
plt.show()Output:
WARN: Unable to to identify input symmetry using original axes.
Different symmetry axes will be used.
converged SCF energy = -108.929838385609
N₂/cc-pVDZ active space: 26 orbitals (52 qubits), (5, 5) electrons
SCF energy: -108.92983839 Ha
Reference energy: -109.22802922 Ha
E(CCSD) = -109.2177884185545 E_corr = -0.2879500329450047
CCSD energy: -109.21778842 Ha
Using QRMI resource: ibm_kingston
LUCJ circuit: 52 qubits, depth 3
Transpiled gate counts: OrderedDict([('sx', 7041), ('rz', 6969), ('cz', 1858), ('measure', 52), ('x', 47), ('barrier', 1)])
Job submitted via QRMI: dai43o0mhr3c73e7a81g | Status: JobStatus.QUEUED
Waiting for results from hardware...
Total shots collected: 100000
Fraction of valid configurations sampled: 0.00319
Expected fraction from uniform random: 9.6079e-07
Running SQD post-processing...
Iteration 1
Subsample 0: Energy = -109.09341960 Ha | Subspace dim = 208849
Subsample 1: Energy = -109.11738590 Ha | Subspace dim = 204304
Subsample 2: Energy = -109.09947704 Ha | Subspace dim = 212521
Iteration 2
Subsample 0: Energy = -109.16015998 Ha | Subspace dim = 332929
Subsample 1: Energy = -109.16823702 Ha | Subspace dim = 319225
Subsample 2: Energy = -109.16189785 Ha | Subspace dim = 336400
Iteration 3
Subsample 0: Energy = -109.17759299 Ha | Subspace dim = 471969
Subsample 1: Energy = -109.17937442 Ha | Subspace dim = 512656
Subsample 2: Energy = -109.17970409 Ha | Subspace dim = 504100
Iteration 4
Subsample 0: Energy = -109.18410905 Ha | Subspace dim = 608400
Subsample 1: Energy = -109.18265405 Ha | Subspace dim = 636804
Subsample 2: Energy = -109.18608430 Ha | Subspace dim = 657721
Iteration 5
Subsample 0: Energy = -109.18870837 Ha | Subspace dim = 846400
Subsample 1: Energy = -109.18890818 Ha | Subspace dim = 848241
Subsample 2: Energy = -109.19022232 Ha | Subspace dim = 804609
=== Energy Summary (N₂/cc-pVDZ active space) ===
SCF energy: -108.92983839 Ha
Reference energy: -109.22802922 Ha
Final SQD energy: -109.19022232 Ha
Energy error: 0.03780690 Ha (23.7238 kcal/mol)
Nächste Schritte
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