Diagonalisation quantique de Krylov des hamiltoniens de réseau
Estimation de la durée d'exécution : 70 minutes sur un processeur Heron ou Nighthawk (REMARQUE : il s'agit uniquement d'une estimation. (Votre temps d'exécution peut varier.)
Acquis d'apprentissage
- Comment interpréter la diagonalisation quantique de Krylov (KQD) comme l'apprentissage d'une fonction hamiltonienne finie agissant comme un filtre spectral.
- Comment construire les matrices hamiltoniennes projetées et de chevauchement à l'aide de mesures de test d'échange étendues.
- Comment résoudre le problème des valeurs propres généralisées (GEVP) qui en résulte et obtenir une estimation de l'énergie de l'état fondamental pour un hamiltonien de réseau.
Prérequis
- Qiskit primitives
- Estimation de l'énergie de l'état fondamental de la chaîne de Heisenberg à l'aide de la méthode VQE
- Cours sur les algorithmes de diagonalisation quantique
Arrière-plan
Ce tutoriel explique comment implémenter l'algorithme de diagonalisation quantique de Krylov (KQD) dans le cadre des modèles Qiskit. Vous découvrirez tout d'abord la théorie qui sous-tend cet algorithme, puis vous assisterez à une démonstration de son exécution sur un QPU.
L'estimation des propriétés à basse énergie des hamiltoniens à N corps constitue une tâche centrale de la simulation quantique. Par exemple, les énergies de l'état fondamental et les excitations de bas niveau sont directement liées à la stabilité chimique, à l'ordre magnétique, aux transitions de phase quantiques et à la réponse des matériaux. Sur un ordinateur classique, la dimension de l'espace de Hilbert augmente de manière exponentielle avec le nombre d'orbitales ou de spins, de sorte que la diagonalisation directe devient rapidement impossible à mettre en œuvre.
Il existe plusieurs approches de l'informatique quantique pour résoudre ce problème. Les méthodes variationnelles à court terme, telles que le solveur variationnel d'eigenvaleurs quantiques (VQE), utilisent des circuits paramétrés relativement peu profonds, mais elles nécessitent une boucle d'optimisation classique non linéaire impliquant de nombreuses évaluations de circuits quantiques. À l'inverse, l'estimation de phase quantique (QPE) offre une approche plus directe pour l'estimation des valeurs propres, avec des garanties rigoureuses; toutefois, la QPE standard nécessite de longs circuits cohérents et convient principalement aux ordinateurs quantiques tolérants aux pannes. La méthode KQD se situe à mi-chemin entre ces deux approches : elle utilise l'évolution hamiltonienne en temps réel, comme dans les algorithmes basés sur l'estimation de phase, mais remplace l'estimation complète de phase par un problème compact de valeurs propres projetées pouvant être résolu de manière classique.
Considérons un hamiltonien à qubits de type « » et un état de référence . La méthode KQD construit un sous-espace de Krylov à partir des états évolués en temps réel,
où est la dimension de Krylov et le pas de temps. Tout état du sous-espace de Krylov est alors représenté sous la forme d'une combinaison linéaire de ces états de base,
où le dénominateur normalise l'état.
Grâce à quelques calculs algébriques simples, on constate que l'énergie correspondante s'exprime sous la forme du quotient de Rayleigh,
Ici, les matrices et ,
définir les matrices de superposition projetée et hamiltoniennes. Leurs valeurs sont estimées à l'aide de mesures effectuées sur des circuits quantiques.
Notre objectif est de déterminer la des coefficients qui donne l' minimale :
D'après le théorème de Rayleigh-Ritz, cette minimisation revient à résoudre le problème des valeurs propres généralisées (GEVP),
Il convient de noter que la dimension peut être suffisamment faible pour qu'un ordinateur classique puisse résoudre le GEVP.
Il s'agit du même principe variationnel que celui utilisé dans la diagonalisation classique des sous-espaces, mais ici, les états de base sont générés par l'évolution temporelle quantique. Par rapport à la méthode VQE, la méthode KQD nécessite généralement des circuits plus profonds, car elle repose sur une évolution en temps réel. En contrepartie, la méthode KQD évite l'optimisation non linéaire des paramètres et l'exécution itérative sur du matériel quantique, et elle s'améliore systématiquement à mesure que le sous-espace projeté s'élargit. Cet algorithme a fait ses preuves à grande échelle sur du matériel quantique existant [2], et ses performances peuvent être analysées avec des garanties démontrables [1].
Exigences
Avant de commencer ce tutoriel, assurez-vous d'avoir installé les éléments suivants :
- Qiskit SDK v2.3 ou version ultérieure avec prise en charge de la visualisation
- Qiskit Runtime v0.22 ou version ultérieure (
pip install qiskit-ibm-runtime) - SciPy (
pip install scipy) - Matplotlib (
pip install matplotlib) - Pandas (
pip install pandas)
L'exécution sur matériel nécessite qiskit-ibm-runtime ainsi qu'un accès à un compte IBM Quantum®.
Configuration
La cellule de configuration importe les modules nécessaires et définit des fonctions d'aide pour le flux de travail :
- construire l'hamiltonien de Heisenberg;
- résoudre le GEVP avec seuil;
- évaluer le filtre de Krylov appris;
- convertir les valeurs du filtre en pondérations spectrales;
- représenter graphiquement les distributions d'énergie de référence et filtrées.
from __future__ import annotations
import warnings
import numpy as np
import pandas as pd
import scipy.linalg as la
import matplotlib.pyplot as plt
from qiskit import QuantumCircuit, transpile
from qiskit.circuit import Parameter
from qiskit.circuit.library import PauliEvolutionGate
from qiskit.primitives import StatevectorEstimator
from qiskit.quantum_info import Operator, SparsePauliOp
from qiskit.synthesis import LieTrotter, SuzukiTrotter
from qiskit.transpiler import PassManager, Layout
from qiskit.transpiler.passes import CommutativeOptimization
from qiskit.transpiler.preset_passmanagers import generate_preset_pass_manager
from qiskit_ibm_runtime import QiskitRuntimeService, EstimatorV2, Batch
from qiskit_ibm_runtime.fake_provider import FakeMarrakesh
warnings.filterwarnings("ignore")
def make_heisenberg_hamiltonian(
num_qubits: int,
coupling: float = 1.0,
) -> SparsePauliOp:
"""Make a Heisenberg Hamiltonian for a 1D chain of qubits with nearest-neighbor interactions."""
terms: list[tuple[str, complex]] = []
def append_term(q0: int, q1: int, pauli: str):
label = ["I"] * num_qubits
label[num_qubits - 1 - q0] = pauli[0]
label[num_qubits - 1 - q1] = pauli[1]
terms.append(("".join(label), coupling))
for pauli in ("XX", "YY", "ZZ"):
for q in range(num_qubits - 1):
append_term(q, q + 1, pauli)
return SparsePauliOp.from_list(terms).simplify()
def _basis_state_transition_amplitude_sparse(
hamiltonian: SparsePauliOp,
bra_state: int,
ket_state: int,
) -> complex:
"""Evaluate <bra_state|H|ket_state> for computational-basis states."""
num_qubits = hamiltonian.num_qubits
amplitude = 0.0 + 0.0j
for pauli, coeff in zip(hamiltonian.paulis, hamiltonian.coeffs):
new_state = ket_state
phase = 1.0 + 0.0j
for q in range(num_qubits):
x = bool(pauli.x[q])
z = bool(pauli.z[q])
if not x and not z:
continue
bit = (new_state >> q) & 1
if x and z:
# Y|0> = i|1>, Y|1> = -i|0>
phase *= 1j if bit == 0 else -1j
new_state ^= 1 << q
elif x:
new_state ^= 1 << q
else:
# Z|0> = |0>, Z|1> = -|1>
if bit:
phase *= -1
if new_state == bra_state:
amplitude += coeff * phase
return amplitude
def basis_state_expectation_sparse(
hamiltonian: SparsePauliOp,
bitstring: str,
) -> complex:
"""Evaluate <bitstring|H|bitstring>."""
state = int(bitstring, 2)
return _basis_state_transition_amplitude_sparse(
hamiltonian,
bra_state=state,
ket_state=state,
)
def diagonalize_single_1_subspace(
hamiltonian: SparsePauliOp,
) -> np.ndarray:
"""Diagonalize the Hamiltonian projected onto the single-excitation subspace."""
num_qubits = hamiltonian.num_qubits
# Integer basis states |...010...>, with the excitation at qubit k.
basis = [1 << k for k in range(num_qubits)]
h_single = np.empty((num_qubits, num_qubits), dtype=complex)
for row, bra_state in enumerate(basis):
for col, ket_state in enumerate(basis):
h_single[row, col] = _basis_state_transition_amplitude_sparse(
hamiltonian,
bra_state=bra_state,
ket_state=ket_state,
)
# Remove floating-point-level asymmetry.
h_single = 0.5 * (h_single + h_single.conj().T)
evals, _ = np.linalg.eigh(h_single)
return np.real(evals)
def simple_transpilation(circuit: QuantumCircuit) -> QuantumCircuit:
"""Transpilation to simplify the circuit"""
pm = PassManager(
[
CommutativeOptimization(),
]
)
circuit = transpile(circuit, optimization_level=3)
circuit = pm.run(circuit)
return circuit
def summarize_circuit(circuit: QuantumCircuit) -> dict[str, int | str]:
"""Summarize the circuit with depth, size, and 2-qubit gate information."""
two_qubit_total = sum(
inst.operation.num_qubits == 2 for inst in circuit.data
)
two_qubit_depth = circuit.depth(lambda x: x[0].num_qubits == 2)
return {
"depth": circuit.depth(),
"size": circuit.size(),
"2q gates": two_qubit_total,
"2q depth": two_qubit_depth,
}
def solve_thresholded_gevp(
h_matrix: np.ndarray,
s_matrix: np.ndarray,
threshold: float = 1e-10,
) -> tuple[float, np.ndarray, int]:
"""Solve H c = E S c using canonical orthogonalization of S."""
s_vals, s_vecs = la.eigh(s_matrix)
valid = s_vals > threshold
if not np.any(valid):
raise ValueError(
"All overlap eigenvalues were removed by thresholding."
)
keep = valid
orthogonalizer = s_vecs[:, keep] @ np.diag(1.0 / np.sqrt(s_vals[keep]))
h_orth = orthogonalizer.conj().T @ h_matrix @ orthogonalizer
h_orth = 0.5 * (h_orth + h_orth.conj().T)
eigvals, eigvecs = la.eigh(h_orth)
coeffs = orthogonalizer @ eigvecs[:, 0]
normalization = np.sqrt(np.real(coeffs.conj().T @ s_matrix @ coeffs))
coeffs /= normalization
return float(np.real(eigvals[0])), coeffs, int(np.sum(keep))Dans la première partie de ce tutoriel, nous présentons la méthode KQD à l'aide d'un simulateur à vecteur d'état local. Par la suite, nous utilisons un backend quantique réel pour traiter un problème à l'échelle industrielle.
Nous définissons également un backend fictif afin d'illustrer la transpilation spécifique au backend et d'examiner le circuit obtenu.
try:
service = QiskitRuntimeService()
except Exception:
QiskitRuntimeService.save_account(
token="<api_token>", instance="<instance>", overwrite=True
)
service = QiskitRuntimeService()
backend = FakeMarrakesh()Exemple de simulateur à petite échelle
Étape 1 : Mettre en correspondance les entrées classiques avec un problème quantique
Hamiltonien et état de référence
Cet exemple utilise une chaîne de Heisenberg à frontières ouvertes de 12 qubits ( ),
avec un état de produit à excitation unique
comme état de référence. Comme l'hamiltonien de Heisenberg défini ci-dessus conserve le nombre total d'excitations, l'état de référence reste dans le sous-espace à excitation unique, dont la dimension n'augmente que linéairement avec le nombre de qubits. Nous pouvons donc calculer efficacement l'énergie exacte de l'état fondamental, en diagonalisant l'hamiltonien restreint à ce sous-espace, et l'utiliser uniquement comme référence diagnostique pour l'estimation KQD. Le workflow KQD estime lui-même les éléments de matrice projetés à l'aide de la méthode de la « Qiskit primitives » et résout le problème projeté ainsi obtenu de manière classique.
# Problem definition for the simulator example
num_qubits = 12
hamiltonian = make_heisenberg_hamiltonian(num_qubits=num_qubits, coupling=1.0)
ref_bitstring = "000001000000"
ref_energy = basis_state_expectation_sparse(hamiltonian, ref_bitstring)
print("Hamiltonian:")
print(hamiltonian)
print(f"Reference state: |{ref_bitstring}>")
print("Reference energy: ", ref_energy)Output:
Hamiltonian:
SparsePauliOp(['IIIIIIIIIIXX', 'IIIIIIIIIXXI', 'IIIIIIIIXXII', 'IIIIIIIXXIII', 'IIIIIIXXIIII', 'IIIIIXXIIIII', 'IIIIXXIIIIII', 'IIIXXIIIIIII', 'IIXXIIIIIIII', 'IXXIIIIIIIII', 'XXIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIYY', 'IIIIIIIIIYYI', 'IIIIIIIIYYII', 'IIIIIIIYYIII', 'IIIIIIYYIIII', 'IIIIIYYIIIII', 'IIIIYYIIIIII', 'IIIYYIIIIIII', 'IIYYIIIIIIII', 'IYYIIIIIIIII', 'YYIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIZZ', 'IIIIIIIIIZZI', 'IIIIIIIIZZII', 'IIIIIIIZZIII', 'IIIIIIZZIIII', 'IIIIIZZIIIII', 'IIIIZZIIIIII', 'IIIZZIIIIIII', 'IIZZIIIIIIII', 'IZZIIIIIIIII', 'ZZIIIIIIIIII'],
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])
Reference state: |000001000000>
Reference energy: (7+0j)
Définir les paramètres de l'algorithme
En se basant sur les bornes supérieures de la norme hamiltonienne, la référence [1] propose de manière heuristique l' de pas de temps . La norme spectrale étant difficile à calculer, nous utilisons à la place sa borne supérieure :
Nous avons fixé la dimension de Krylov à et le nombre d’étapes de Trotter par pas de temps à : un espace de Krylov suffisamment grand pour résoudre le spectre des niveaux bas tout en conservant un circuit le plus profond ( ) raisonnable, et un nombre d’étapes de Trotter suffisant pour maintenir l’erreur de discrétisation à un niveau faible au niveau de ce circuit le plus profond.
dt = np.pi / (3 * (num_qubits - 1))
print("dt in Krylov basis: ", dt)
krylov_dim = 10
num_trotter_steps = 5Output:
dt in Krylov basis: 0.09519977738150888
Construire un circuit
Nous construisons ici les circuits permettant d'estimer les éléments de matrice et . Comme toutes les puissances de commutent, on a
Ces matrices, dont les éléments dépendent de cette manière des différences d'indice, sont appelées matrices de Toeplitz et peuvent être reconstituées à partir des éléments de la première ligne indexés par .
Nous présentons ici le circuit, appelé « extended-swap-test », qui prépare
où .
État de référence
Nous préparons l'état de référence .
qc_ref = QuantumCircuit(num_qubits)
for i, b in enumerate(reversed(ref_bitstring)):
if b == "1":
qc_ref.x(i)
display(qc_ref.draw("mpl", scale=0.5))Output:
Évolution dans le temps
Calculez l'opérateur d'évolution temporelle généré par l'hamiltonien, approximé par une simple transformation de Lie-Trotter.
t = Parameter("t")
evol_gate = PauliEvolutionGate(
hamiltonian,
time=t,
synthesis=LieTrotter(reps=num_trotter_steps),
label="U(t)",
)
# Synthesize U(t) first and then control the synthesized circuit.
# This makes the controlled structure visible in the circuit drawer.
evolution_circuit = QuantumCircuit(num_qubits, name="U(t)")
evolution_circuit.append(evol_gate, range(num_qubits))
evolution_circuit = simple_transpilation(evolution_circuit)
# Make a controlled version of the evolution circuit.
controlled_evolution_gate = evolution_circuit.to_gate(label="U(t)").control(
1, label="C-U(t)"
)
display(
evolution_circuit.assign_parameters({t: 1.5}).draw(
"mpl", scale=0.5, fold=-1
)
)Output:
Circuit d'essai de permutation étendu [3]
Le circuit commence par définir l'état de référence dans le registre système tandis que l'ancilla reste en mode « » :
Ensuite, l'application d'une porte de Hadamard à l'ancilla crée une superposition cohérente de deux branches :
Enfin, on applique la porte d'évolution temporelle contrôlée :
uniquement lorsque l'ancilla se trouve dans la branche « ». Par conséquent,
Dans le bloc de code suivant, nous implémentons :
qui sera attribué sous la forme « » pour « » lors de l'étape d'exécution.
ancilla = 0
system_qubits = list(range(1, num_qubits + 1))
extended_swap_test = QuantumCircuit(num_qubits + 1)
# Append state preparation part
extended_swap_test = extended_swap_test.compose(qc_ref, system_qubits)
# Prepare the coherent branch label, (|0> + |1>) / sqrt(2).
extended_swap_test.h(ancilla)
# Apply U(t) only to the |1> branch of the ancilla.
extended_swap_test.append(
controlled_evolution_gate, [ancilla] + system_qubits
)
# Decompose once more for visualization so that control bullets are visible.
display(extended_swap_test.draw("mpl", fold=-1))Output:
Observables
Pour tout système hermitien à observables , nous définissons ici les observables à calculer :
En effet, fournit l'élément de chevauchement , tandis que fournit l'élément hamiltonien .
En utilisant , on obtient
De même, en utilisant ,
Par conséquent, nous avons
Enfin, pour chaque d'état, nous devons mesurer :
n_qubits = hamiltonian.num_qubits
observable_labels = [
"Re S_0d",
"Im S_0d",
"Re H_0d",
"Im H_0d",
]
# X ⊗ I and Y ⊗ I.
# Qiskit's Pauli-label convention places qubit 0 on the rightmost character,
# so the ancilla Pauli is appended to the right.
obs_x_identity = SparsePauliOp("I" * n_qubits + "X")
obs_y_identity = SparsePauliOp("I" * n_qubits + "Y")
# X ⊗ H and Y ⊗ H.
obs_x_hamiltonian = SparsePauliOp.from_list(
[
(label + "X", coeff)
for label, coeff in zip(
hamiltonian.paulis.to_labels(),
hamiltonian.coeffs,
)
]
)
obs_y_hamiltonian = SparsePauliOp.from_list(
[
(label + "Y", coeff)
for label, coeff in zip(
hamiltonian.paulis.to_labels(),
hamiltonian.coeffs,
)
]
)
observables = [
obs_x_identity,
obs_y_identity,
obs_x_hamiltonian,
obs_y_hamiltonian,
]
for obs, label in zip(observables, observable_labels):
print(f"Observable: {label}")
print(obs)
print()Output:
Observable: Re S_0d
SparsePauliOp(['IIIIIIIIIIIIX'],
coeffs=[1.+0.j])
Observable: Im S_0d
SparsePauliOp(['IIIIIIIIIIIIY'],
coeffs=[1.+0.j])
Observable: Re H_0d
SparsePauliOp(['IIIIIIIIIIXXX', 'IIIIIIIIIXXIX', 'IIIIIIIIXXIIX', 'IIIIIIIXXIIIX', 'IIIIIIXXIIIIX', 'IIIIIXXIIIIIX', 'IIIIXXIIIIIIX', 'IIIXXIIIIIIIX', 'IIXXIIIIIIIIX', 'IXXIIIIIIIIIX', 'XXIIIIIIIIIIX', 'IIIIIIIIIIYYX', 'IIIIIIIIIYYIX', 'IIIIIIIIYYIIX', 'IIIIIIIYYIIIX', 'IIIIIIYYIIIIX', 'IIIIIYYIIIIIX', 'IIIIYYIIIIIIX', 'IIIYYIIIIIIIX', 'IIYYIIIIIIIIX', 'IYYIIIIIIIIIX', 'YYIIIIIIIIIIX', 'IIIIIIIIIIZZX', 'IIIIIIIIIZZIX', 'IIIIIIIIZZIIX', 'IIIIIIIZZIIIX', 'IIIIIIZZIIIIX', 'IIIIIZZIIIIIX', 'IIIIZZIIIIIIX', 'IIIZZIIIIIIIX', 'IIZZIIIIIIIIX', 'IZZIIIIIIIIIX', 'ZZIIIIIIIIIIX'],
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])
Observable: Im H_0d
SparsePauliOp(['IIIIIIIIIIXXY', 'IIIIIIIIIXXIY', 'IIIIIIIIXXIIY', 'IIIIIIIXXIIIY', 'IIIIIIXXIIIIY', 'IIIIIXXIIIIIY', 'IIIIXXIIIIIIY', 'IIIXXIIIIIIIY', 'IIXXIIIIIIIIY', 'IXXIIIIIIIIIY', 'XXIIIIIIIIIIY', 'IIIIIIIIIIYYY', 'IIIIIIIIIYYIY', 'IIIIIIIIYYIIY', 'IIIIIIIYYIIIY', 'IIIIIIYYIIIIY', 'IIIIIYYIIIIIY', 'IIIIYYIIIIIIY', 'IIIYYIIIIIIIY', 'IIYYIIIIIIIIY', 'IYYIIIIIIIIIY', 'YYIIIIIIIIIIY', 'IIIIIIIIIIZZY', 'IIIIIIIIIZZIY', 'IIIIIIIIZZIIY', 'IIIIIIIZZIIIY', 'IIIIIIZZIIIIY', 'IIIIIZZIIIIIY', 'IIIIZZIIIIIIY', 'IIIZZIIIIIIIY', 'IIZZIIIIIIIIY', 'IZZIIIIIIIIIY', 'ZZIIIIIIIIIIY'],
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])
Pour l'estimation des éléments de la matrice d' , le nombre de termes de Pauli est bien plus élevé que celui des éléments de la matrice d' .
Nous pouvons désormais réduire le nombre de termes de l'hamiltonien mesurés en recourant à une technique de décalage [4]. Nous décomposons l'hamiltonien comme suit :
où est choisi de telle sorte que l'état de référence soit son état propre,
Ensuite,
Ici,
est l'élément de matrice de l'hamiltonien décalé. Par conséquent, il suffit de mesurer et . La contribution de est reconstituée de manière classique à l’aide de l’élément de matrice de chevauchement déjà mesuré .
Dans cet exemple, un choix naturel est la partie diagonale de l'hamiltonien de Heisenberg,
L'état de référence étant un état de base de calcul, il s'agit d'un état propre de chaque terme d' .
Cependant, il est plus avantageux d’inclure non seulement les termes diagonaux , mais aussi les termes qui annulent l’état de référence.
Pour chaque paire de voisins, l'opérateur satisfait
et
Par conséquent, le terme « » n’intervient que lorsque les deux qubits voisins présentent des occupations différentes dans la chaîne de bits de référence. Si les deux qubits sont tous les deux dans l'état « » ou tous les deux dans l'état « », ce terme annule l'état de référence et peut également être éliminé.
Soit , où . On peut donc choisir
Cet opérateur satisfait toujours à
car les termes agissent en diagonale sur , tandis que les termes décalés donnent zéro. La valeur propre correspondante n'est donc déterminée que par les termes d' ,
Avec ce choix, l'hamiltonien décalé s'écrit alors comme suit :
Par conséquent, seules les arêtes correspondant à des professions différentes dans l'état de référence doivent être mesurées. Tous les termes de type « » et tous les termes inactifs de type « » sont reconstruits grâce à la contribution de chevauchement , ou n'apportent aucune contribution par définition.
On obtient ainsi une observable plus petite que si l'on ne décalait que la partie diagonale. En particulier, pour un état de référence à base de calcul présentant une excitation localisée, seuls les bords adjacents à l’excitation restent en Par conséquent, le nombre de termes de Pauli dans et peut être considérablement réduit, tandis que l’élément de matrice reconstruit
reste exactement le même.
def make_reduced_heisenberg_observables(
ref_bitstring: str,
coupling: float = 1.0,
) -> tuple[SparsePauliOp, SparsePauliOp, float]:
"""Build X⊗(H-T), Y⊗(H-T), and tau."""
n_qubits = len(ref_bitstring)
shifted_terms: list[tuple[str, complex]] = []
tau = 0.0
def bit(q: int) -> str:
return ref_bitstring[n_qubits - 1 - q]
def append_term(q0: int, q1: int, pauli: str):
label = ["I"] * n_qubits
label[n_qubits - 1 - q0] = pauli[0]
label[n_qubits - 1 - q1] = pauli[1]
shifted_terms.append(("".join(label), coupling))
for q in range(n_qubits - 1):
same_occupation = bit(q) == bit(q + 1)
# ZZ contribution to tau
tau += coupling * (1.0 if same_occupation else -1.0)
# XX + YY survives only for opposite occupations.
if not same_occupation:
append_term(q, q + 1, "XX")
append_term(q, q + 1, "YY")
if shifted_terms:
obs_x_shifted_hamiltonian = SparsePauliOp.from_list(
[(label + "X", coeff) for label, coeff in shifted_terms]
)
obs_y_shifted_hamiltonian = SparsePauliOp.from_list(
[(label + "Y", coeff) for label, coeff in shifted_terms]
)
else:
obs_x_shifted_hamiltonian = SparsePauliOp(
"I" * n_qubits + "X", coeffs=[0.0]
)
obs_y_shifted_hamiltonian = SparsePauliOp(
"I" * n_qubits + "Y", coeffs=[0.0]
)
return obs_x_shifted_hamiltonian, obs_y_shifted_hamiltonian, tau
obs_x_shifted_hamiltonian, obs_y_shifted_hamiltonian, shift_tau = (
make_reduced_heisenberg_observables(ref_bitstring)
)
print("Observable: Re shifted H_0d")
print(obs_x_shifted_hamiltonian)
print()
print("Observable: Im shifted H_0d")
print(obs_y_shifted_hamiltonian)
print()
print("tau =", shift_tau)
observables = [
obs_x_identity,
obs_y_identity,
obs_x_shifted_hamiltonian,
obs_y_shifted_hamiltonian,
]
observable_labels = [
"Re S_0d",
"Im S_0d",
"Re shifted H_0d",
"Im shifted H_0d",
]Output:
Observable: Re shifted H_0d
SparsePauliOp(['IIIIIXXIIIIIX', 'IIIIIYYIIIIIX', 'IIIIXXIIIIIIX', 'IIIIYYIIIIIIX'],
coeffs=[1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j])
Observable: Im shifted H_0d
SparsePauliOp(['IIIIIXXIIIIIY', 'IIIIIYYIIIIIY', 'IIIIXXIIIIIIY', 'IIIIYYIIIIIIY'],
coeffs=[1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j, 1.+0.j])
tau = 7.0
Étape 2 : Optimiser le problème pour l'exécution sur du matériel quantique
Nous allons maintenant transformer le circuit abstrait de test d'échange étendu en un modèle orienté matériel. Avant cela, nous optimisons d'abord davantage le circuit au niveau abstrait.
Comparaison de l'ordre des termes de l'hamiltonien
Dans un premier temps, nous comparons différents ordres d'appariement des termes de Pauli dans l'hamiltonien de Heisenberg en vue de la simulation hamiltonienne. L'hamiltonien lui-même reste inchangé, mais l'ordre dans lequel les termes sont classés influe sur la manière dont le circuit de formule produit est généré et sur le degré de parallélisation possible de la structure au sein du circuit. Par exemple, l'ordre « naïf » répertorie d'abord tous les termes de type « voisin le plus proche » ( ), puis tous les termes de type « en chaîne » ( ), et enfin tous les termes de type « en série » ( ). Cela place les arêtes adjacentes, telles que et , l'une à côté de l'autre, de sorte qu'elles ne peuvent pas être exécutées en parallèle. L'ordre « pair-puis-impair » explore d'abord les arêtes paires disjointes, puis les arêtes impaires, ce qui met à nu des couches parallèles de deux qubits. L'ordre par groupes de arêtes paires et impaires va encore plus loin : pour chaque arête, il regroupe les termes locaux , et , tout en continuant à parcourir les arêtes paires avant les arêtes impaires. Nous nous attendons à ce que les ordonnancements « pair-pair puis impair » et « pair-impair » regroupés par arête réduisent la profondeur du circuit en mettant en évidence des couches parallèles de deux qubits, et à ce que l’ordonnancement regroupé par arête réduise en outre l’erreur de Trotter, car l’interaction locale entre deux qubits sur une même arête est traitée comme un bloc compact.
L'ordre hamiltonien influe également sur l'erreur de Trotter. Si l'on place côte à côte des termes non commutatifs, les transitions de base se produisent plus souvent, ce qui entraîne davantage d'erreurs de Trotter. En regroupant les termes qui nécessitent la même transformation de base de Pauli, on peut éviter les changements de base superflus.
Ici, la comparaison utilise le temps d'évolution le plus long figurant dans les estimations de Krylov de la première ligne, , en utilisant la même condition de transposition.
Afin de mesurer l'erreur de Trotter, nous utilisons l'infidélité de processus entre le circuit « trotterisé » et l'évolution hamiltonienne exacte,
où est la dimension de l'espace de Hilbert.
Ce diagnostic utilise des matrices denses; il est donc adapté à ce petit exemple de 12 qubits, mais n'est pas conçu pour servir de sous-programme évolutif.
# The comparison uses the largest time that appears in the first-row Krylov estimates.
# Circuit depth does not depend on this numeric value, but the Trotter error does.
comparison_time = (krylov_dim - 1) * dt
def make_heisenberg_hamiltonian_ordered(
num_qubits: int,
ordering: str,
coupling: float = 1.0,
) -> SparsePauliOp:
"""Return the same Heisenberg Hamiltonian with a specified term ordering."""
terms: list[tuple[str, complex]] = []
even_edges = [(q, q + 1) for q in range(0, num_qubits - 1, 2)]
odd_edges = [(q, q + 1) for q in range(1, num_qubits - 1, 2)]
def append_term(q0: int, q1: int, pauli: str):
label = ["I"] * num_qubits
label[num_qubits - 1 - q0] = pauli[0]
label[num_qubits - 1 - q1] = pauli[1]
terms.append(("".join(label), coupling))
if ordering == "naive":
for pauli in ("XX", "YY", "ZZ"):
for q in range(num_qubits - 1):
append_term(q, q + 1, pauli)
elif ordering == "even-then-odd":
for pauli in ("XX", "YY", "ZZ"):
for q0, q1 in even_edges + odd_edges:
append_term(q0, q1, pauli)
elif ordering == "even-odd edge-grouped":
for q0, q1 in even_edges + odd_edges:
for pauli in ("XX", "YY", "ZZ"):
append_term(q0, q1, pauli)
else:
raise ValueError(f"Unknown ordering: {ordering}")
return SparsePauliOp.from_list(terms).simplify()
def build_numeric_evolution_circuit(
hamiltonian: SparsePauliOp,
synthesis,
time_value: float,
**synthesis_kwargs,
) -> QuantumCircuit:
"""Build a numeric circuit for exp(-i H t) with a chosen synthesis rule."""
evolution_gate = PauliEvolutionGate(
hamiltonian,
time=time_value,
synthesis=synthesis(**synthesis_kwargs),
)
circuit = QuantumCircuit(hamiltonian.num_qubits)
circuit.append(evolution_gate, range(hamiltonian.num_qubits))
return circuit
def process_infidelity(
circuit: QuantumCircuit,
exact_matrix: np.ndarray,
) -> float:
"""Return 1 - |Tr(U_circuit† U_exact) / d|²."""
circuit_matrix = np.asarray(Operator(circuit).data)
dim = circuit_matrix.shape[0]
normalized_trace = np.vdot(circuit_matrix, exact_matrix) / dim
fidelity = np.abs(normalized_trace) ** 2
return float(np.clip(1.0 - fidelity, 0.0, 1.0))
hamiltonians_by_ordering = {
ordering: make_heisenberg_hamiltonian_ordered(
num_qubits, ordering, coupling=1.0
)
for ordering in ["naive", "even-then-odd", "even-odd edge-grouped"]
}
print(f"Comparison time: {comparison_time}\n")
for order_name, ham_ordered in hamiltonians_by_ordering.items():
print(f"{order_name}:")
print([op for op, _ in ham_ordered.to_list()])
print()
print("Precomputing the exact evolution operator... ", end="")
exact_matrix = la.expm(-1j * comparison_time * hamiltonian.to_matrix())
print("Done")Output:
Comparison time: 0.8567979964335799
naive:
['IIIIIIIIIIXX', 'IIIIIIIIIXXI', 'IIIIIIIIXXII', 'IIIIIIIXXIII', 'IIIIIIXXIIII', 'IIIIIXXIIIII', 'IIIIXXIIIIII', 'IIIXXIIIIIII', 'IIXXIIIIIIII', 'IXXIIIIIIIII', 'XXIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIYY', 'IIIIIIIIIYYI', 'IIIIIIIIYYII', 'IIIIIIIYYIII', 'IIIIIIYYIIII', 'IIIIIYYIIIII', 'IIIIYYIIIIII', 'IIIYYIIIIIII', 'IIYYIIIIIIII', 'IYYIIIIIIIII', 'YYIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIZZ', 'IIIIIIIIIZZI', 'IIIIIIIIZZII', 'IIIIIIIZZIII', 'IIIIIIZZIIII', 'IIIIIZZIIIII', 'IIIIZZIIIIII', 'IIIZZIIIIIII', 'IIZZIIIIIIII', 'IZZIIIIIIIII', 'ZZIIIIIIIIII']
even-then-odd:
['IIIIIIIIIIXX', 'IIIIIIIIXXII', 'IIIIIIXXIIII', 'IIIIXXIIIIII', 'IIXXIIIIIIII', 'XXIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIXXI', 'IIIIIIIXXIII', 'IIIIIXXIIIII', 'IIIXXIIIIIII', 'IXXIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIYY', 'IIIIIIIIYYII', 'IIIIIIYYIIII', 'IIIIYYIIIIII', 'IIYYIIIIIIII', 'YYIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIYYI', 'IIIIIIIYYIII', 'IIIIIYYIIIII', 'IIIYYIIIIIII', 'IYYIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIZZ', 'IIIIIIIIZZII', 'IIIIIIZZIIII', 'IIIIZZIIIIII', 'IIZZIIIIIIII', 'ZZIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIZZI', 'IIIIIIIZZIII', 'IIIIIZZIIIII', 'IIIZZIIIIIII', 'IZZIIIIIIIII']
even-odd edge-grouped:
['IIIIIIIIIIXX', 'IIIIIIIIIIYY', 'IIIIIIIIIIZZ', 'IIIIIIIIXXII', 'IIIIIIIIYYII', 'IIIIIIIIZZII', 'IIIIIIXXIIII', 'IIIIIIYYIIII', 'IIIIIIZZIIII', 'IIIIXXIIIIII', 'IIIIYYIIIIII', 'IIIIZZIIIIII', 'IIXXIIIIIIII', 'IIYYIIIIIIII', 'IIZZIIIIIIII', 'XXIIIIIIIIII', 'YYIIIIIIIIII', 'ZZIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIXXI', 'IIIIIIIIIYYI', 'IIIIIIIIIZZI', 'IIIIIIIXXIII', 'IIIIIIIYYIII', 'IIIIIIIZZIII', 'IIIIIXXIIIII', 'IIIIIYYIIIII', 'IIIIIZZIIIII', 'IIIXXIIIIIII', 'IIIYYIIIIIII', 'IIIZZIIIIIII', 'IXXIIIIIIIII', 'IYYIIIIIIIII', 'IZZIIIIIIIII']
Precomputing the exact evolution operator... Done
Nous fixons dans un premier temps la règle de synthèse à une étape de Trotter du premier ordre et ne faisons varier que l'ordre des termes de Pauli. L'objectif principal de cette comparaison est de déterminer dans quelle mesure il est possible de réduire la profondeur du circuit et le coût par paire de qubits en exposant au transpiler des arêtes disjointes entre voisins immédiats.
ordering_comparison_rows = []
infidelity_reps = [1, 2, 4, 8]
for ordering, ham_ordered in hamiltonians_by_ordering.items():
for reps in infidelity_reps:
circuit = build_numeric_evolution_circuit(
ham_ordered,
LieTrotter,
comparison_time,
reps=reps,
)
decomposed_circuit = simple_transpilation(circuit)
infidelity = process_infidelity(decomposed_circuit, exact_matrix)
ordering_comparison_rows.append(
{
"ordering": ordering,
"synthesis": f"LieTrotter(reps={reps})",
"infidelity": infidelity,
**summarize_circuit(decomposed_circuit),
}
)
if reps == 1:
print(f"Circuit for {ordering} ordering:")
print([op for op, _ in ham_ordered.to_list()])
display(decomposed_circuit.draw("mpl", fold=-1, scale=0.6))
ordering_comparison_df = pd.DataFrame(ordering_comparison_rows)
display(ordering_comparison_df)
hamiltonian_for_synthesis = hamiltonians_by_ordering["even-odd edge-grouped"]Output:
Circuit for naive ordering:
['IIIIIIIIIIXX', 'IIIIIIIIIXXI', 'IIIIIIIIXXII', 'IIIIIIIXXIII', 'IIIIIIXXIIII', 'IIIIIXXIIIII', 'IIIIXXIIIIII', 'IIIXXIIIIIII', 'IIXXIIIIIIII', 'IXXIIIIIIIII', 'XXIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIYY', 'IIIIIIIIIYYI', 'IIIIIIIIYYII', 'IIIIIIIYYIII', 'IIIIIIYYIIII', 'IIIIIYYIIIII', 'IIIIYYIIIIII', 'IIIYYIIIIIII', 'IIYYIIIIIIII', 'IYYIIIIIIIII', 'YYIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIZZ', 'IIIIIIIIIZZI', 'IIIIIIIIZZII', 'IIIIIIIZZIII', 'IIIIIIZZIIII', 'IIIIIZZIIIII', 'IIIIZZIIIIII', 'IIIZZIIIIIII', 'IIZZIIIIIIII', 'IZZIIIIIIIII', 'ZZIIIIIIIIII']
Circuit for even-then-odd ordering:
['IIIIIIIIIIXX', 'IIIIIIIIXXII', 'IIIIIIXXIIII', 'IIIIXXIIIIII', 'IIXXIIIIIIII', 'XXIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIXXI', 'IIIIIIIXXIII', 'IIIIIXXIIIII', 'IIIXXIIIIIII', 'IXXIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIYY', 'IIIIIIIIYYII', 'IIIIIIYYIIII', 'IIIIYYIIIIII', 'IIYYIIIIIIII', 'YYIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIYYI', 'IIIIIIIYYIII', 'IIIIIYYIIIII', 'IIIYYIIIIIII', 'IYYIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIZZ', 'IIIIIIIIZZII', 'IIIIIIZZIIII', 'IIIIZZIIIIII', 'IIZZIIIIIIII', 'ZZIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIZZI', 'IIIIIIIZZIII', 'IIIIIZZIIIII', 'IIIZZIIIIIII', 'IZZIIIIIIIII']
Circuit for even-odd edge-grouped ordering:
['IIIIIIIIIIXX', 'IIIIIIIIIIYY', 'IIIIIIIIIIZZ', 'IIIIIIIIXXII', 'IIIIIIIIYYII', 'IIIIIIIIZZII', 'IIIIIIXXIIII', 'IIIIIIYYIIII', 'IIIIIIZZIIII', 'IIIIXXIIIIII', 'IIIIYYIIIIII', 'IIIIZZIIIIII', 'IIXXIIIIIIII', 'IIYYIIIIIIII', 'IIZZIIIIIIII', 'XXIIIIIIIIII', 'YYIIIIIIIIII', 'ZZIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIXXI', 'IIIIIIIIIYYI', 'IIIIIIIIIZZI', 'IIIIIIIXXIII', 'IIIIIIIYYIII', 'IIIIIIIZZIII', 'IIIIIXXIIIII', 'IIIIIYYIIIII', 'IIIIIZZIIIII', 'IIIXXIIIIIII', 'IIIYYIIIIIII', 'IIIZZIIIIIII', 'IXXIIIIIIIII', 'IYYIIIIIIIII', 'IZZIIIIIIIII']
On constate que les ordonnancements « pair-pair puis impair reps=1» et « pair-impair » réduisent tous deux la profondeur de 15 à 6 en exposant des couches parallèles de deux qubits, tandis que le nombre de portes à deux qubits reste identique pour les trois ordonnancements.
Cependant, comme ces trois ordonnancements présentent tous un indice d’infidélité proche de 1, nous faisons varier le nombre de répétitions de Trotter afin de mieux distinguer ces ordonnancements.
À mesure que le nombre de répétitions augmente, l'imprécision de l'ordre even-odd edge-grouped diminue plus rapidement que celle des deux autres, atteignant 0.045 à reps=8 contre 0.075 pour les ordres « naïf » et « pair puis impair ».
Comparaison entre la synthèse de produits et la synthèse de formules
Nous allons ensuite explorer différents paramètres avancés de la « trotterisation », en passant d’un ordre hamiltonien fixe à un ordre par groupes de bords pairs-impairs. Nous considérons les équations de Lie-Trotter du premier ordre, de Suzuki-Trotter du deuxième ordre et de Suzuki-Trotter du quatrième ordre.
synthesis_comparison_rows = []
for num_trotter_steps in [1, 2, 3, 4, 5]:
synthesis_cases = [
("LieTrotter", LieTrotter, {"reps": num_trotter_steps}),
(
"SuzukiTrotter(order=2)",
SuzukiTrotter,
{"order": 2, "reps": num_trotter_steps},
),
(
"SuzukiTrotter(order=4)",
SuzukiTrotter,
{"order": 4, "reps": num_trotter_steps},
),
]
for label, synthesis, kwargs in synthesis_cases:
circuit = build_numeric_evolution_circuit(
hamiltonian_for_synthesis,
synthesis,
comparison_time,
**kwargs,
)
decomposed_circuit = simple_transpilation(circuit)
synthesis_comparison_rows.append(
{
"synthesis": label,
"reps": kwargs["reps"],
"infidelity": process_infidelity(
decomposed_circuit, exact_matrix
),
**summarize_circuit(decomposed_circuit),
}
)
synthesis_comparison_df = pd.DataFrame(synthesis_comparison_rows)
display(synthesis_comparison_df.sort_values(["2q gates", "2q depth"]))
# For memory free
exact_matrix = NoneOutput:
La méthode de Lie-Trotter donne le circuit le moins profond, mais présente la plus grande erreur, tandis que la méthode de Suzuki-Trotter du quatrième ordre est plus précise, mais augmente la profondeur du circuit. Pour la suite de ce tutoriel, nous avons choisi la méthode de Suzuki-Trotter du second ordre, car elle permet d'obtenir un circuit de faible profondeur tout en réduisant considérablement l'erreur de Trotter par rapport à la formule du premier ordre.
Supprimer la porte d'évolution temporelle contrôlée
Dans le test de swap étendu, le fait de contrôler l'évolution temporelle à l'aide d'un seul qubit auxiliaire nécessite que ce dernier contrôle de nombreuses portes dans l'ensemble du système. Cela peut entraîner une surcharge de routage importante et, dans le pire des cas, imposer de fait une connectivité « tous vers un ». Pour éviter cela, il est possible de procéder à une optimisation supplémentaire en remplaçant la porte d'évolution temporelle contrôlée par une version sans contrôle, en tirant parti de la symétrie de l'hamiltonien. Examinons le circuit suivant.
Ici, présente l'état de référence, .
Au lieu de préparer d'abord puis d'appliquer uniquement sur la branche , le circuit prépare directement les deux branches comme suit :
où
Le circuit applique d'abord une porte de Hadamard à l'ancilla et prépare l'état de référence uniquement sur la branche « » :
On applique ensuite l'opérateur d'évolution temporelle non contrôlé aux deux branches :
Comme l'hamiltonien préserve le nombre d'excitation, on constate que est l'un de ses états propres, et donc que l'opérateur d'évolution ne fait qu'accumuler une phase sous l'action de l'hamiltonien :
Par conséquent,
Ensuite, la commande « » n'est appliquée que sur la branche « ».
À ce stade, les deux branches présentent une phase relative supplémentaire. Pour l'éliminer, on utilise la porte de phase ancilla
Cela transforme l'état comme suit :
Ainsi, à l'exception d'une phase globale négligeable, nous avons finalement préparé
Dans le bloc de code suivant, nous mettons en œuvre ce circuit sans commande.
controlled_extended_swap_test = extended_swap_test
# Reuse the ordering and synthesis rule selected by the comparison above.
evol_gate_optimized = PauliEvolutionGate(
hamiltonian_for_synthesis,
time=t,
synthesis=SuzukiTrotter(order=2, reps=num_trotter_steps),
)
uncontrolled_evolution = QuantumCircuit(num_qubits, name="U_ST2(t)")
uncontrolled_evolution.append(evol_gate_optimized, range(num_qubits))
controlled_state_prep = QuantumCircuit(num_qubits + 1, name="C-Prep")
for q, bit in enumerate(reversed(ref_bitstring)):
if bit == "1":
controlled_state_prep.cx(ancilla, system_qubits[q])
vacuum_bitstring = "0" * num_qubits
vacuum_energy = basis_state_expectation_sparse(hamiltonian, "0" * num_qubits)
optimized_extended_swap_test = QuantumCircuit(num_qubits + 1)
optimized_extended_swap_test.h(ancilla)
# Prepare |psi_ref> only on the |1> branch.
optimized_extended_swap_test.compose(controlled_state_prep, inplace=True)
optimized_extended_swap_test.barrier()
# Apply the Trotterized time evolution without control.
optimized_extended_swap_test.compose(
uncontrolled_evolution,
qubits=system_qubits,
inplace=True,
)
optimized_extended_swap_test.barrier()
# Map |0>|0...0> to |0>|psi_ref>, leaving the |1> branch unchanged.
optimized_extended_swap_test.x(ancilla)
optimized_extended_swap_test.compose(controlled_state_prep, inplace=True)
optimized_extended_swap_test.x(ancilla)
# Cancel the known vacuum phase so that the same X/Y observables can be used.
optimized_extended_swap_test.p(-vacuum_energy * t, ancilla)
optimized_extended_swap_test = simple_transpilation(
optimized_extended_swap_test
)
print(f"Vacuum energy E_vac = {vacuum_energy:.1f}")
display(
optimized_extended_swap_test.assign_parameters({t: 1.0}).draw(
"mpl", scale=0.5, fold=26
)
)Output:
Vacuum energy E_vac = 11.0+0.0j
Transpilation
Nous procédons maintenant à la transcompilation des circuits « contrôlés » et « non contrôlés » afin qu'ils puissent être exécutés sur le matériel. Comparons les résultats des circuits transpilés.
pass_manager = generate_preset_pass_manager(
backend=backend,
optimization_level=3,
)
isa_controlled_extended_swap_test = pass_manager.run(
controlled_extended_swap_test
)
pass_manager = generate_preset_pass_manager(
backend=backend, optimization_level=3, routing_method="none"
)
isa_optimized_extended_swap_test = pass_manager.run(
optimized_extended_swap_test
)
transpilation_result = [
{
"label": "abstract controlled U(t)",
**summarize_circuit(isa_controlled_extended_swap_test),
},
{
"label": "optimized non-controlled U(t)",
**summarize_circuit(isa_optimized_extended_swap_test),
},
]
display(pd.DataFrame(transpilation_result))
def filter_qubits_from_layout(layout):
q_layout = Layout(
{
physical: virtual
for physical, virtual in layout.get_physical_bits().items()
if virtual._register.name == "q"
}
)
return q_layout
print(
filter_qubits_from_layout(
isa_optimized_extended_swap_test.layout.initial_layout
)
)
isa_observables = [
op.apply_layout(isa_optimized_extended_swap_test.layout)
for op in observables
]Output:
Layout({
18: <Qubit register=(13, "q"), index=0>,
5: <Qubit register=(13, "q"), index=1>,
6: <Qubit register=(13, "q"), index=2>,
7: <Qubit register=(13, "q"), index=3>,
8: <Qubit register=(13, "q"), index=4>,
9: <Qubit register=(13, "q"), index=5>,
10: <Qubit register=(13, "q"), index=6>,
11: <Qubit register=(13, "q"), index=7>,
12: <Qubit register=(13, "q"), index=8>,
13: <Qubit register=(13, "q"), index=9>,
14: <Qubit register=(13, "q"), index=10>,
15: <Qubit register=(13, "q"), index=11>,
19: <Qubit register=(13, "q"), index=12>
})
Étape 3 : Exécutez à l'aide d' Qiskit primitives
L'étape suivante consiste à appliquer ce même circuit paramétré à plusieurs valeurs de l' . Pour chaque , nous estimons quatre valeurs attendues : , , et . Ces quatre nombres sont ensuite combinés pour former les éléments complexes de la première ligne : et .
Ici, et peuvent être calculés de manière classique puisque est un tableau creux; nous ne prenons donc pas en compte le cas .
pub_list = []
d_values = list(range(1, krylov_dim))
# Exact local statevector estimator.
estimator = StatevectorEstimator()
# We use the circuit before the transpilation for the local simulator,
# but we will use the transpiled circuit for the real backend.
for d in d_values:
parameter_values = [d * dt]
for ob in observables:
pub_list.append(
(
optimized_extended_swap_test,
ob,
parameter_values,
)
)
job = estimator.run(pub_list)
# Local PrimitiveJob does not provide Runtime-style job inputs,
# so preserve the inputs directly.
inputs = pub_list
result = job.result()
print(f"Number of Krylov basis states: r = {len(d_values)}")
print(f"Number of PUBs: {len(pub_list)}")
print(f"Each d uses observables: {observable_labels}")Output:
Number of Krylov basis states: r = 9
Number of PUBs: 36
Each d uses observables: ['Re S_0d', 'Im S_0d', 'Re shifted H_0d', 'Im shifted H_0d']
Étape 4 : Post-traitement et restitution du résultat dans le format classique souhaité
Après avoir estimé les matrices projetées, nous régularisons et résolvons le GEVP
La plus petite valeur propre généralisée donne l'estimation KQD de l'énergie de l'état fondamental.
h_shifted_row_est = np.zeros(krylov_dim, dtype=complex)
s_row_est = np.zeros(krylov_dim, dtype=complex)
h_shifted_row_est[0] = ref_energy - shift_tau
s_row_est[0] = 1.0
for idx, (pub_input, pub_result) in enumerate(zip(inputs, result)):
d_index, obs_index = divmod(idx, len(observables))
ev = np.asarray(pub_result.data.evs).reshape(-1)[0]
std = np.asarray(pub_result.data.stds).reshape(-1)[0]
if obs_index == 0:
s_row_est[d_index + 1] = ev
elif obs_index == 1:
s_row_est[d_index + 1] += 1j * ev
elif obs_index == 2:
h_shifted_row_est[d_index + 1] = ev
elif obs_index == 3:
h_shifted_row_est[d_index + 1] += 1j * ev
# H_0d = shifted_H_0d + tau * S_0d.
h_row_est = h_shifted_row_est + shift_tau * s_row_est
h_matrix_est = la.toeplitz(h_row_est.conj(), h_row_est)
s_matrix_est = la.toeplitz(s_row_est.conj(), s_row_est)
s_eigvals = la.eigvalsh(0.5 * (s_matrix_est + s_matrix_est.conj().T))
positive_s_eigvals = s_eigvals[s_eigvals > 1e-12]
s_condition_number = (
positive_s_eigvals[-1] / positive_s_eigvals[0]
if len(positive_s_eigvals) > 0
else np.inf
)
with np.printoptions(precision=3, suppress=True):
print("Estimated first row of S:")
print(s_row_est)
print()
print("Estimated first row of H:")
print(h_row_est)
print()
print("Eigenvalues of the estimated overlap matrix S:")
print(s_eigvals)
print(f"Condition number above 1e-12: {s_condition_number:.3e}")
print()Output:
Estimated first row of S:
[ 1. +0.j 0.758-0.596j 0.203-0.836j -0.291-0.636j -0.444-0.229j
-0.276+0.053j -0.044+0.051j 0.006-0.121j -0.155-0.218j -0.345-0.101j]
Estimated first row of H:
[ 7. +0.j 4.842-4.76j 0.044-6.185j -3.791-3.653j -4.137+0.39j
-1.495+2.654j 1.331+1.777j 1.85 -0.763j -0.032-2.278j -2.222-1.372j]
Eigenvalues of the estimated overlap matrix S:
[-0. 0. 0. 0. 0. 0. 0.01 0.355 3.526 6.109]
Condition number above 1e-12: 1.904e+12
Nous allons maintenant résoudre le problème des valeurs propres généralisées à l'aide des matrices reconstituées à partir des estimations du circuit. Dans le cadre d'un calcul idéal du vecteur d'état avec une évolution exacte en temps réel, cela devrait reproduire le résultat projeté exact. Dans la pratique, les écarts peuvent provenir de la « trotterisation », de l'erreur d'échantillonnage et de l'instabilité numérique de la matrice de chevauchement.
Nous observons comment l'énergie converge à mesure que l'on augmente la dimension du sous-espace de Krylov.
exact_evals = diagonalize_single_1_subspace(hamiltonian)
exact_ground = min(exact_evals)
print("exact ground state energy: ", exact_ground)
threshold = 1e-12
energy_convergence = []
for r in range(1, krylov_dim + 1):
energy_est_kqd, coeffs_est, retained_est = solve_thresholded_gevp(
h_matrix_est[:r, :r],
s_matrix_est[:r, :r],
threshold=threshold,
)
energy_convergence.append(energy_est_kqd)
print(
f"Krylov ground state energy (dim={r}, retained={retained_est}): ",
energy_est_kqd,
)Output:
exact ground state energy: 3.136296694843727
Krylov ground state energy (dim=1, retained=1): 7.0
Krylov ground state energy (dim=2, retained=2): 4.184510657551266
Krylov ground state energy (dim=3, retained=3): 3.5539074630394136
Krylov ground state energy (dim=4, retained=4): 3.3366270761341044
Krylov ground state energy (dim=5, retained=5): 3.252017453225087
Krylov ground state energy (dim=6, retained=6): 3.2300275138879186
Krylov ground state energy (dim=7, retained=7): 3.2299154099085685
Krylov ground state energy (dim=8, retained=7): 3.2298063744216776
Krylov ground state energy (dim=9, retained=7): 3.2296778282872456
Krylov ground state energy (dim=10, retained=8): 3.223647515867734
def plot_energy_convergence(energy_convergence, exact_ground, krylov_dim):
fig, ax = plt.subplots(figsize=(7, 4.5))
ax.plot(
range(1, krylov_dim + 1),
energy_convergence,
marker="o",
label="KQD estimate",
)
ax.axhline(
exact_ground,
linestyle="--",
label=f"Exact ground energy = {exact_ground:.6f}",
)
ax.set_xlabel("Krylov dimension")
ax.set_ylabel("Ground-state energy")
ax.grid(True, alpha=0.3)
ax.legend()
plt.tight_layout()
plt.show()
plot_energy_convergence(energy_convergence, exact_ground, krylov_dim)Output:
Exemple de matériel à grande échelle
La section précédente utilisait un modèle à 12 qubits afin que la simulation par vecteur d'état puisse servir d'outil de diagnostic. Nous adaptons désormais ce même workflow KQD à une chaîne d'Heisenberg de 30 qubits et préparons la charge de travail en vue de son exécution sur le matériel d' IBM Quantum.
Étapes 1 à 4 regroupées en un seul bloc de code
Nous regroupons désormais tous ces éléments au sein d'un flux de travail unique à plus grande échelle, qui est ensuite exécuté sur notre matériel quantique réel. Dans cette section, nous appliquons des paramètres réalistes d'atténuation des erreurs afin d'améliorer la fiabilité des résultats. Étant donné que les éléments de matrice correspondant à différentes valeurs de peuvent être calculés en parallèle, nous utilisons le mode Batch pour les exécuter efficacement.
# -------------------------Step 1-------------------------
# Map the classical problem to quantum circuits and observables.
# Problem and KQD parameters.
large_num_qubits = 30
large_krylov_dim = 7
large_num_trotter_steps = 3
large_dt = np.pi / (3 * (large_num_qubits - 1))
large_t = Parameter("t_large")
# Use a single excitation near the center of the chain.
large_excitation_qubit = large_num_qubits // 2
large_ref_label = ["0"] * large_num_qubits
large_ref_label[large_num_qubits - 1 - large_excitation_qubit] = "1"
large_ref_bitstring = "".join(large_ref_label)
# Use the ordering and product formula selected in the preceding section.
large_hamiltonian = make_heisenberg_hamiltonian_ordered(
large_num_qubits,
ordering="even-odd edge-grouped",
coupling=1.0,
)
large_ref_energy = float(
np.real(
basis_state_expectation_sparse(large_hamiltonian, large_ref_bitstring)
)
)
large_vacuum_energy = float(
np.real(
basis_state_expectation_sparse(
large_hamiltonian, "0" * large_num_qubits
)
)
)
large_evolution_gate = PauliEvolutionGate(
large_hamiltonian,
time=large_t,
synthesis=SuzukiTrotter(order=2, reps=large_num_trotter_steps),
)
large_uncontrolled_evolution = QuantumCircuit(
large_num_qubits,
name="U_ST2_large(t)",
)
large_uncontrolled_evolution.append(
large_evolution_gate,
range(large_num_qubits),
)
# Build the control-free extended-swap-test circuit.
large_ancilla = 0
large_system_qubits = list(range(1, large_num_qubits + 1))
large_controlled_state_prep = QuantumCircuit(
large_num_qubits + 1,
name="C-Prep-large",
)
large_controlled_state_prep.cx(
large_ancilla,
large_system_qubits[large_excitation_qubit],
)
large_extended_swap_test = QuantumCircuit(large_num_qubits + 1)
large_extended_swap_test.h(large_ancilla)
large_extended_swap_test.compose(large_controlled_state_prep, inplace=True)
large_extended_swap_test.compose(
large_uncontrolled_evolution,
qubits=large_system_qubits,
inplace=True,
)
large_extended_swap_test.x(large_ancilla)
large_extended_swap_test.compose(
large_controlled_state_prep.inverse(),
inplace=True,
)
large_extended_swap_test.x(large_ancilla)
large_extended_swap_test.p(
-large_vacuum_energy * large_t,
large_ancilla,
)
# Reuse the Hamiltonian-shifting construction from the preceding section.
(
large_obs_x_shifted_hamiltonian,
large_obs_y_shifted_hamiltonian,
large_shift_tau,
) = make_reduced_heisenberg_observables(large_ref_bitstring)
large_observables = [
SparsePauliOp("I" * large_num_qubits + "X"),
SparsePauliOp("I" * large_num_qubits + "Y"),
large_obs_x_shifted_hamiltonian,
large_obs_y_shifted_hamiltonian,
]
large_observable_labels = [
"Re S_0d",
"Im S_0d",
"Re shifted H_0d",
"Im shifted H_0d",
]
# -------------------------Step 2-------------------------
# Optimize the problem for quantum execution.
# Select a real backend and transpile the parameterized circuit to ISA form.
large_backend = service.backend("ibm_boston")
large_pass_manager = generate_preset_pass_manager(
backend=large_backend, optimization_level=3, routing_method="none"
)
large_isa_circuit = large_pass_manager.run(large_extended_swap_test)
large_isa_observables = [
observable.apply_layout(large_isa_circuit.layout)
for observable in large_observables
]
large_two_qubit_gate_count = sum(
instruction.operation.num_qubits == 2
for instruction in large_isa_circuit.data
)
print(f"Backend: {large_backend.name}")
print(f"System qubits: {large_num_qubits}")
print(f"Total circuit qubits: {large_isa_circuit.num_qubits}")
print(f"Krylov dimension: {large_krylov_dim}")
print(f"Time step: {large_dt:.6f}")
print(f"Shift tau: {large_shift_tau}")
print(f"ISA circuit depth: {large_isa_circuit.depth()}")
print(f"ISA two-qubit gates: {large_two_qubit_gate_count}")
print(
f"ISA two-qubit depth: {large_isa_circuit.depth(lambda x: x[0].num_qubits == 2)}"
)
# -------------------------Step 3-------------------------
# Execute on quantum hardware with Qiskit Runtime primitives.
# Submit one job per d, with all four observables in that job.
large_d_values = list(range(1, large_krylov_dim))
retrieve_batch_id = None
large_jobs = []
if retrieve_batch_id is None:
large_estimator_options = {
"default_shots": 8192,
"dynamical_decoupling": {
"enable": True,
"sequence_type": "XpXm",
},
"resilience": {
"measure_mitigation": True,
"measure_noise_learning": {
"num_randomizations": 32,
"shots_per_randomization": 256,
},
"layer_noise_learning": {
"max_layers_to_learn": 4,
"layer_pair_depths": [0, 1, 2, 4, 16, 32],
"num_randomizations": 32,
"shots_per_randomization": 128,
},
"zne_mitigation": True,
"zne": {
"amplifier": "pea",
"noise_factors": [1.0, 1.5, 2.0],
"extrapolator": ("exponential", "linear"),
},
},
"twirling": {
"enable_gates": True,
"enable_measure": True,
"num_randomizations": 32,
"shots_per_randomization": 256,
"strategy": "active-accum",
},
}
with Batch(backend=large_backend) as large_batch:
large_batch_id = large_batch.session_id
large_estimator = EstimatorV2(
mode=large_batch,
options=large_estimator_options,
)
# Krylov quantum diagonalization of lattice Hamiltonians -> TUT_KQDOLH.
large_estimator.options.environment.job_tags = ["TUT_KQDOLH"]
for d in large_d_values:
parameter_values = [d * large_dt]
pubs_for_d = [
(large_isa_circuit, observable, parameter_values)
for observable in large_isa_observables
]
job = large_estimator.run(pubs_for_d)
large_jobs.append(job)
print(
f"Submitted d={d}: job_id={job.job_id()}, "
f"PUBs={len(pubs_for_d)}"
)
print(f"Batch ID: {large_batch_id}")
else:
large_batch_id = retrieve_batch_id
large_jobs = service.jobs(
session_id=large_batch_id,
limit=None,
descending=False,
)
large_job_ids_by_d = {
d: job.job_id() for d, job in zip(large_d_values, large_jobs)
}
print(f"Job IDs by d: {large_job_ids_by_d}")
# -------------------------Step 4-------------------------
# Post-process the quantum results and solve the classical GEVP.
# Reconstruct the first rows of S and the shifted Hamiltonian matrix.
large_s_row_est = np.zeros(large_krylov_dim, dtype=complex)
large_h_shifted_row_est = np.zeros(large_krylov_dim, dtype=complex)
large_s_row_est[0] = 1.0
large_h_shifted_row_est[0] = large_ref_energy - large_shift_tau
for d, job in zip(large_d_values, large_jobs):
job_result = job.result()
if len(job_result) != len(large_observables):
raise RuntimeError(
f"Expected {len(large_observables)} PUB results for d={d}, "
f"but received {len(job_result)}."
)
expectation_values = [
np.asarray(pub_result.data.evs).reshape(-1)[0]
for pub_result in job_result
]
large_s_row_est[d] = expectation_values[0] + 1j * expectation_values[1]
large_h_shifted_row_est[d] = (
expectation_values[2] + 1j * expectation_values[3]
)
# H_0d = shifted_H_0d + tau * S_0d.
large_h_row_est = large_h_shifted_row_est + large_shift_tau * large_s_row_est
large_s_matrix_est = la.toeplitz(
large_s_row_est.conj(),
large_s_row_est,
)
large_h_matrix_est = la.toeplitz(
large_h_row_est.conj(),
large_h_row_est,
)
large_exact_gnd = min(diagonalize_single_1_subspace(large_hamiltonian))
large_energy_convergence = []
with np.printoptions(precision=5, suppress=True):
print("Estimated first row of S:")
print(large_s_row_est)
print("Estimated first row of H:")
print(large_h_row_est)
print("exact ground state energy: ", large_exact_gnd)
for r in range(1, large_krylov_dim + 1):
energy_est_kqd, coeffs_est, retained_est = solve_thresholded_gevp(
large_h_matrix_est[:r, :r],
large_s_matrix_est[:r, :r],
threshold=5e-2,
)
large_energy_convergence.append(energy_est_kqd)
print(
f"Krylov ground state energy (dim={r}, retained={retained_est}): ",
energy_est_kqd,
)
plot_energy_convergence(
large_energy_convergence, large_exact_gnd, large_krylov_dim
)Output:
Backend: ibm_boston
System qubits: 30
Total circuit qubits: 156
Krylov dimension: 7
Time step: 0.036110
Shift tau: 25.0
ISA circuit depth: 219
ISA two-qubit gates: 728
ISA two-qubit depth: 52
Job IDs by d: {1: 'd9fl4p4jeosc73fk4dg0', 2: 'd9fl4pineu4c739poecg', 3: 'd9fl4q2neu4c739poedg', 4: 'd9fl4qhhtsac739fjgn0', 5: 'd9fl4r4jeosc73fk4dhg', 6: 'd9fl4rkjeosc73fk4dj0'}
Estimated first row of S:
[ 1. +0.j 0.42055-0.65466j -0.17883-0.73125j -0.64523-0.31601j
-0.70781+0.55574j -0.02467+0.70525j 0.59301+0.55602j]
Estimated first row of H:
[ 25. +0.j 10.3419 -16.5586j -5.017 -18.03933j
-16.44797 -6.98173j -17.17081+14.84502j 0.62722+17.81196j
15.68886+12.74875j]
exact ground state energy: 21.021912418526902
Krylov ground state energy (dim=1, retained=1): 25.0
Krylov ground state energy (dim=2, retained=2): 24.432409110686205
Krylov ground state energy (dim=3, retained=3): 24.256856893278556
Krylov ground state energy (dim=4, retained=4): 23.727409826799715
Krylov ground state energy (dim=5, retained=4): 23.324720470780864
Krylov ground state energy (dim=6, retained=5): 21.91957579005085
Krylov ground state energy (dim=7, retained=5): 21.548331214122644
Annexe : L'approche par la fonction hamiltonienne (filtre spectral)
Le flux de travail principal présentait le KQD d'un point de vue opérationnel : construction d'une base de Krylov à partir d'états évoluant en temps réel, estimation des matrices projetées et , puis résolution du GEVP. Cette annexe réexamine ce même calcul sous un angle complémentaire qui explique le fonctionnement de la KQD : celui de la fonction hamiltonienne, ou du filtre spectral [3], [5]. Elle réutilise le modèle à 12 qubits, l' de pas de temps et la solution de Krylov déjà obtenue ci-dessus; aucune nouvelle exécution du circuit n'est nécessaire.
L'état de référence en tant que répartition de l'énergie
Soit l'hamiltonien décomposé en valeurs propres de la forme suivante :
avec les états propres d'énergie . Tout état de référence peut être développé dans cette base propre,
Il présente donc un poids spectral à chaque d'énergie. L'énergie de référence correspond à la moyenne de cette distribution, .
La décomposition en eigenvaleurs d'un hamiltonien général de type « » à qubits est d'un coût exponentiel; cette représentation n'est donc qu'un outil de diagnostic, qui ne fait pas partie de l'algorithme. Ici, cependant, nous pouvons le calculer à moindre coût pour le même problème d’ : l’hamiltonien de Heisenberg conserve le nombre total d’excitation, et l’ de référence comporte une seule excitation; ainsi, l’ensemble de son contenu spectral se situe dans le sous-espace à excitation unique, dont la dimension ne croît que linéairement avec l’ . Nous réutilisons donc le bloc exact à excitation unique (déjà utilisé ci-dessus comme référence) et lisons la distribution de référence à l’intérieur de ce sous-espace.
# Exact single-excitation-subspace decomposition of the reference state.
# This reuses make_heisenberg_hamiltonian / _basis_state_transition_amplitude_sparse
# and the n=12 `hamiltonian` and `ref_bitstring` defined in the small-scale example.
single_excitation_states = [1 << k for k in range(num_qubits)]
h_single = np.array(
[
[
_basis_state_transition_amplitude_sparse(hamiltonian, bra, ket)
for ket in single_excitation_states
]
for bra in single_excitation_states
]
)
h_single = 0.5 * (h_single + h_single.conj().T)
subspace_evals, subspace_evecs = la.eigh(h_single)
subspace_evals = np.real(subspace_evals)
# Reference-state coordinates inside the single-excitation subspace.
ref_position = single_excitation_states.index(int(ref_bitstring, 2))
ref_in_subspace = np.zeros(num_qubits, dtype=complex)
ref_in_subspace[ref_position] = 1.0
# Amplitudes and spectral weights of the reference in the energy eigenbasis.
ref_eigen_amplitudes = subspace_evecs.conj().T @ ref_in_subspace
ref_spectral_weights = np.abs(ref_eigen_amplitudes) ** 2
print(f"Single-excitation subspace dimension: {num_qubits}")
print(f"Subspace ground-state energy: {subspace_evals[0]:.6f}")
print(
f"Reference energy (sum p_m E_m): {np.sum(ref_spectral_weights * subspace_evals):.6f}"
)
print(f"Reference weight on subspace ground: {ref_spectral_weights[0]:.6f}")Output:
Single-excitation subspace dimension: 12
Subspace ground-state energy: 3.136297
Reference energy (sum p_m E_m): 7.000000
Reference weight on subspace ground: 0.163827
KQD apprend un filtre qui remodèle cette distribution
Une fonction hamiltonienne est définie par le calcul spectral,
ou, en d'autres termes, une somme pondérée de projecteurs propres. Son application à la référence modifie la forme de chaque amplitude spectrale, :
Si présentait un pic très marqué à la plus basse énergie ( et dans le cas contraire), alors agirait comme un projecteur vers l'état fondamental, et le résultat normalisé serait (proche de) l'état fondamental. C'est donc précisément ce qu'il nous faut : un bon filtre spectral passe-bas en énergie.
La KQD ne prescrit pas d' s à l'avance. Au contraire, il développe le filtre dans la base d'évolution en temps réel,
une fonction trigonométrique de l'énergie dont les coefficients correspondent précisément au vecteur propre GEVP dont la solution a été donnée plus haut. Minimiser le quotient de Rayleigh revient donc à déterminer le filtre qui atténue au mieux le poids de l'état excité de la référence. Une dimension de Krylov plus grande confère au filtre davantage de degrés de liberté et un pic plus marqué au niveau de l'énergie de l'état fondamental.
La fonction d'aide ci-dessous évalue ce filtre appris sur un axe d'énergie; nous l'appliquons ensuite à la distribution de référence obtenue ci-dessus.
def trigonometric_krylov_filter(
coeffs: np.ndarray,
energies: np.ndarray,
time_step: float,
) -> np.ndarray:
"""Evaluate the learned Krylov filter f(E) = sum_l c_l exp(-i l dt E)."""
values = np.zeros_like(energies, dtype=complex)
for ell, coeff in enumerate(coeffs):
values += coeff * np.exp(-1j * ell * time_step * energies)
return values
def filtered_spectral_weights(
weights: np.ndarray,
filter_values: np.ndarray,
) -> np.ndarray:
"""Reshape spectral weights by |f(E)|^2 and renormalize."""
reshaped = weights * np.abs(filter_values) ** 2
return reshaped / np.sum(reshaped)
# Recover the KQD coefficients from the already-estimated projected matrices.
# The shift only moves H by tau * S, so it does not change the GEVP eigenvector;
# we solve at the full Krylov dimension used in the small-scale example.
_, kqd_coeffs, _ = solve_thresholded_gevp(
h_matrix_est,
s_matrix_est,
threshold=1e-12,
)
filter_on_spectrum = trigonometric_krylov_filter(
kqd_coeffs, subspace_evals, dt
)
filtered_weights = filtered_spectral_weights(
ref_spectral_weights, filter_on_spectrum
)
print(f"Ground-state overlap (reference): {ref_spectral_weights[0]:.4f}")
print(f"Ground-state overlap (filtered): {filtered_weights[0]:.4f}")
print(
f"Mean energy (reference): {np.sum(ref_spectral_weights * subspace_evals):.6f}"
)
print(
f"Mean energy (filtered): {np.sum(filtered_weights * subspace_evals):.6f}"
)Output:
Ground-state overlap (reference): 0.1638
Ground-state overlap (filtered): 0.9638
Mean energy (reference): 7.000000
Mean energy (filtered): 3.164503
Visualisez le filtre et sa polyvalence
Nous présentons tout d'abord le filtre appris à la dimension de Krylov complète utilisée ci-dessus, puis nous observons comment sa précision s'améliore à mesure que la dimension augmente.
Les barres représentent les poids spectraux de référence (avant) et les poids filtrés (après), ainsi que l'intensité du filtre appris sur un axe d'énergie continu. Le filtre concentre le poids sur l'énergie la plus basse du sous-espace à excitation unique — la même énergie vers laquelle l'estimation KQD a convergé dans l'exemple à petite échelle. Il convient de noter qu'il s'agit ici de l'état fondamental au sein du secteur à excitation unique, qui constitue la cible pertinente pour cet état de référence préservant l'excitation, et non de l'état fondamental global.
fig, ax = plt.subplots(figsize=(8, 4))
visible = (ref_spectral_weights > 1e-4) | (filtered_weights > 1e-4)
ax.bar(
subspace_evals[visible],
ref_spectral_weights[visible],
width=0.18,
alpha=0.45,
label="reference $p_m$",
)
ax.bar(
subspace_evals[visible],
filtered_weights[visible],
width=0.14,
alpha=0.9,
label=r"filtered $p_m\,|f_{\rm KQD}(E_m)|^2$",
)
energy_grid = np.linspace(
subspace_evals.min() - 0.5, subspace_evals.max() + 0.5, 800
)
filter_intensity = (
np.abs(trigonometric_krylov_filter(kqd_coeffs, energy_grid, dt)) ** 2
)
filter_intensity /= filter_intensity.max()
ax.plot(
energy_grid,
filter_intensity,
color="k",
linewidth=2,
label=r"$|f_{\rm KQD}(E)|^2$ (normalized)",
)
ax.axvline(
subspace_evals[0],
color="C3",
linestyle="--",
linewidth=1,
label="subspace ground energy",
)
ax.set_xlabel("Energy eigenvalue $E_m$")
ax.set_ylabel("Spectral weight")
ax.set_ylim(0, 1)
ax.legend(loc="upper right")
plt.tight_layout()
plt.show()Output:
Augmentation de la dimension de Krylov : flexibilité de la fonction apprise
Rappelons que le filtre appris est un polynôme trigonométrique en énergie dont les coefficients sont s,
La dimension de Krylov correspond exactement au nombre de coefficients libres; elle détermine donc la flexibilité de la fonction. Un faible niveau d’ ation ne permet de produire qu’un filtre large, à variation douce, qui laisse passer une partie de l’énergie vers les états excités de plus basse énergie; lorsque l’ ation augmente, le filtre peut former un pic plus étroit à l’énergie cible et supprimer plus efficacement l’énergie restante des états excités. Il s'agit là de l'équivalent, en termes de filtre spectral, de la convergence énergétique observée dans l'exemple à petite échelle : à mesure que augmente, la distribution filtrée se réduit à l'état fondamental du sous-espace et l'énergie estimée tend vers celui-ci.
Nous réutilisons les matrices projetées déjà estimées ci-dessus et nous nous contentons de résoudre le GEVP à chaque bloc d' s de tête, puis nous évaluons et traçons le filtre correspondant.
# Sweep the Krylov dimension using the leading r x r blocks of the estimated matrices.
sweep_dims = [r for r in (2, 4, 6, 8, krylov_dim) if r <= krylov_dim]
sweep_dims = sorted(set(sweep_dims))
energy_grid = np.linspace(
subspace_evals.min() - 0.5, subspace_evals.max() + 0.5, 800
)
sweep_cases = []
print(" r retained ground overlap filtered energy")
print("-- -------- -------------- ---------------")
for r in sweep_dims:
_, coeffs_r, retained_r = solve_thresholded_gevp(
h_matrix_est[:r, :r],
s_matrix_est[:r, :r],
threshold=1e-12,
)
filter_on_spectrum_r = trigonometric_krylov_filter(
coeffs_r, subspace_evals, dt
)
filtered_weights_r = filtered_spectral_weights(
ref_spectral_weights, filter_on_spectrum_r
)
filtered_energy_r = float(np.sum(filtered_weights_r * subspace_evals))
sweep_cases.append((r, coeffs_r, filtered_weights_r))
print(
f"{r:2d} {retained_r:8d} {filtered_weights_r[0]:14.4f} {filtered_energy_r:15.6f}"
)
print(f"\nSubspace ground-state energy (target): {subspace_evals[0]:.6f}")
# One panel per Krylov dimension: filtered spectrum (bars) + filter intensity (curve).
fig, axes = plt.subplots(
len(sweep_cases),
1,
figsize=(8, 2.1 * len(sweep_cases)),
sharex=True,
)
axes = np.atleast_1d(axes)
for idx, (ax, (r, coeffs_r, filtered_weights_r)) in enumerate(
zip(axes, sweep_cases)
):
visible = (ref_spectral_weights > 1e-4) | (filtered_weights_r > 1e-4)
ax.bar(
subspace_evals[visible],
ref_spectral_weights[visible],
width=0.18,
alpha=0.35,
color="C0",
label="reference $p_m$" if idx == 0 else None,
)
ax.bar(
subspace_evals[visible],
filtered_weights_r[visible],
width=0.14,
alpha=0.9,
color="C1",
label="filtered weights" if idx == 0 else None,
)
filter_intensity_r = (
np.abs(trigonometric_krylov_filter(coeffs_r, energy_grid, dt)) ** 2
)
filter_intensity_r /= filter_intensity_r.max()
ax.plot(energy_grid, filter_intensity_r, color="k", linewidth=2)
ax.axvline(subspace_evals[0], color="C3", linestyle="--", linewidth=1)
ax.set_ylim(0, 1)
ax.set_ylabel("weight")
ax.legend(loc="upper right", title=f"$r={r}$")
axes[-1].set_xlabel("Energy eigenvalue $E_m$")
fig.suptitle(
r"KQD-learned filter $|f_{\rm KQD}(E)|^2$ sharpening with Krylov dimension $r$",
y=1.0,
)
fig.tight_layout()
plt.show()Output:
r retained ground overlap filtered energy
-- -------- -------------- ---------------
2 2 0.4549 4.184510
4 4 0.8373 3.310168
6 6 0.9706 3.158100
8 7 0.9701 3.158725
10 8 0.9638 3.164503
Subspace ground-state energy (target): 3.136297
Etapes suivantes
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Références
[1] E. N. Epperly, L. Lin et Y. Nakatsukasa, « Une théorie de la diagonalisation des sous-espaces quantiques », SIAM Journal on Matrix Analysis and Applications 43, 1263-1290 (2022).
[2] N. Yoshioka, M., Amico, W., Kirby, et al., Diagonalisation d’hamiltoniens à grand nombre de corps sur un processeur quantique, arXiv:2407.14431 (2024).
[3] R. M. Parrish et P. L. McMahon, « Diagonalisation des filtres quantiques : décomposition en valeurs propres quantiques sans estimation complète de la phase quantique », Physical Review Letters 122, 230401 (2019).
[4] G. Lee, S. Choi, J. Huh et AF Izmaylov, Stratégies efficaces pour réduire l'erreur d'échantillonnage dans la diagonalisation du sous-espace de Krylov quantique, Digital Discovery 4, 954-969 (2025).
[5] G. Lee, M. Kang, J. Hong, S. Fomichev et J. Huh, « Filtered Quantum Phase Estimation », arXiv:2510.04294 (2025).