Esegui carichi di lavoro quantistici con QRMI
Stima dei tempi di esecuzione: meno di un minuto su un hardware d IBM Quantum® e per la sezione SQD. Questa stima non tiene conto dei tempi di attesa e dell'elaborazione tradizionale; la durata dell'esecuzione può variare.
Risultati di apprendimento
- Il ruolo che QRMI svolge come middleware tra gli scheduler HPC e l'hardware " IBM Quantum "
- Come utilizzare il ciclo di vita QRMI di base (
acquire→task_start→task_status→task_result→release) con un backend reale IBM® - Come utilizzare Qiskit di livello superiore e
SamplerV2i wrapperQRMIServicebasati su QRMI - In che modo gli scheduler HPC (Slurm) integrano le risorse quantistiche tramite variabili d'ambiente e in che modo le applicazioni le utilizzano
- Come eseguire un flusso di lavoro completo di chimica SQD (diagonalizzazione quantistica basata su campioni) su N utilizzando l'hardware IBM tramite QRMI
Prerequisiti
- Qiskit primitives (Campionatore e stimatore)
- IBM Quantum sessioni
- IBM Quantum transpilazione
- Diagonalizzazione quantistica basata su campioni (SQD)
- Conoscenza di base degli ambienti virtuali Python e della chimica quantistica
Sfondo
La sfida dell'integrazione tra quantistica e HPC
I flussi di lavoro di calcolo ad alte prestazioni (HPC) richiedono spesso un coordinamento perfetto tra i cluster di calcolo classici e le unità di elaborazione quantistica (QPU). I diversi backend hardware quantistici e servizi offrono meccanismi di autenticazione, formati di trasmissione e API relative al ciclo di vita dei lavori distinti. L'integrazione dei sistemi di tipo " IBM Quantum " nei gestori di carichi di lavoro HPC (come Slurm) richiede un'interfaccia chiara e standardizzata per l'acquisizione delle risorse, l'esecuzione dei lavori e la gestione delle sessioni.
Che cos’è il QRMI
La Quantum Resource Management Interface (QRMI) è una libreria middleware scritta in Rust che standardizza l'accesso all'hardware quantistico da parte degli scheduler HPC e delle applicazioni classiche. Fornisce un'unica API unificata per il ciclo di vita:
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 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 è pubblicato come progetto open source all'indirizzo github.com/qiskit-community/qrmi ed è descritto nell'articolo di presentazione arXiv:2506.10052.
Scelte progettuali fondamentali
Il ciclo di vita delle risorse, non la compilazione dei circuiti. QRMI gestisce il ciclo di vita "acquisizione/invio/interrogazione/rilascio" e nient'altro. La compilazione, l’ottimizzazione e la transpilazione dei circuiti rimangono a livello di applicazione (ad esempio, Qiskit). In questo modo l'interfaccia rimane essenziale e modulabile.
Modello di portabilità dei fornitori. Sebbene QRMI fornisca chiamate comuni per la gestione dei lavori (acquire, task_start, task_status, task_result, release) su tutti i backend hardware supportati, il cambio di fornitore richiede anche diversi passaggi di compilazione, la creazione di payload specifici per ciascun fornitore e la decodifica dei risultati a livello di applicazione.
Formato nativo del payload di IBM. Per i backend " IBM Quantum ", QRMI utilizza OpenQASM 3 payload JSON (QiskitPrimitive) conformi allo schema Qiskit Runtime.
Configurazione tramite variabili d'ambiente. Le credenziali e gli URL degli endpoint vengono letti dalle variabili d'ambiente in fase di esecuzione. In un cluster HPC, il plugin Slurm QRMI SPANK li imposta automaticamente al momento dell'invio di un lavoro. In un notebook o in una sessione interattiva, li si carica da un file .env . Il codice dell'applicazione non contiene mai credenziali o URL di endpoint hardcoded.
Integrazione dello scheduler HPC tramite GRES. Quando un processo Slurm richiede risorse quantistiche utilizzando l'interfaccia del plugin QRMI SPANK (#SBATCH --gres=qpu:1 e #SBATCH --qpu=ibm_kingston), il plugin inserisce QRMI_JOB_QPU_RESOURCES e QRMI_JOB_QPU_TYPES nell'ambiente del processo. Le applicazioni effettuano una chiamata per get_job_qpu_resources_and_types() scoprire quali risorse sono state assegnate — non è necessario specificare nomi di backend fissi. QRMIService fornisce un'interfaccia per questo modello agli utenti di Qiskit.
Le chiamate API principali
Chiamata | Finalità |
|---|---|
qrmi.acquire() | Ottiene l'accesso alla risorsa (ad esempio, apre una sessione dedicata); restituisce un token di blocco |
qrmi.target() | Recupera le capacità del backend (qubit, porte logiche, mappa di accoppiamento) in formato JSON |
qrmi.task_start(payload) | Invia un lavoro quantistico; restituisce un ID del lavoro |
qrmi.task_status(job_id) | Stato del lavoro di sondaggio (Queued, Running, Completed, Failed) |
qrmi.task_result(job_id) | Recupera i risultati dei lavori completati come stringa JSON non formattata |
qrmi.task_stop(job_id) | Annulla o ripulisci un lavoro |
qrmi.release(lock) | Rilasciare il blocco della risorsa (ad esempio, chiudere la sessione) |
Argomenti trattati in questo tutorial
Questo tutorial è suddiviso in due parti:
Passaggi 1–3 (esempi su piccola scala): Presentare l'API QRMI con una semplice dimostrazione di un circuito a stati di Bell su un hardware d IBM Quantum, illustrando sia l'utilizzo diretto delle primitive a basso livello QRMIService sia l'integrazione SamplerV2 a livello alto.
Esempio di calcolo su hardware su larga scala: un flusso di lavoro SQD completo per la molecola N a con una distanza di legame pari a 1.0 (spazio attivo basato su cc-pVDZ, 26 orbitali spaziali / 52 qubit), eseguito su hardware IBM Quantum tramite QRMI. SQD combina il campionamento quantistico di un ansatz LUCJ costruito con e ffsim il recupero autoconsistente della configurazione con qiskit-addon-sqd.
Requisiti
Prima di iniziare questo tutorial, assicurati di avere installato quanto segue.
Python configurazione dell'ambiente
Su PyPI, sono disponibili wheel binari precompilati per Linux, quindi la versione standard pip install funziona direttamente sui sistemi Linux /HPC.
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"Se si compila pip QRMI partendo dal codice sorgente, assicurarsi di disporre di una toolchain Rust aggiornata (Rust ≥ 1.91.1, installabile tramite il rustup link rustup.rs ).
Seleziona il kernel QRMI IBM in Jupyter, quindi riavvialo ed esegui le celle del notebook in ordine. I risultati salvati provengono dall'esecuzione sull'hardware del collaboratore; i comandi di installazione non specificano le versioni esatte utilizzate per tale esecuzione.
Credenziali richieste
- IBM Quantum : chiave API IAM e CRN del servizio da IBM Quantum Platform
Per l'esecuzione autonoma, creare un file .env accanto a questo notebook contenente i seguenti valori, sostituendo i segnaposto relativi alle credenziali. Non divulgare questo file. Se si seleziona un backend diverso, aggiornare sia il nome che i prefissi delle variabili d'ambiente.
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
Per un'allocazione Slurm, utilizzare le impostazioni delle risorse e le credenziali fornite dal cluster. Il notebook conserva i valori ambientali esistenti.
Configura
Importa le dipendenze e carica la configurazione delle risorse.
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.
Esempi su piccola scala
I passaggi da 1 a 3 illustrano l'API QRMI attraverso l'uso di circuiti semplici. Ogni fase corrisponde a una fase fondamentale del ciclo di vita del QRMI in relazione all'hardware dell' IBM Quantum.
Il carico utile per queste fasi iniziali è un piccolo circuito a stati di Bell, scelto per la rapidità e l'economicità della sua esecuzione.
Questi esempi utilizzano l'hardware perché illustrano l'allocazione delle risorse in remoto e la gestione dei processi. Un simulatore di circuito locale non verifica la correttezza dell'integrazione tra il servizio QRMI e lo scheduler. L'esecuzione di questo notebook comporta l'invio di IBM Quantum e richiede l'accesso al backend configurato.
Fase 1: Mappare il problema classico su una risorsa quantistica
Il primo passo in qualsiasi flusso di lavoro QRMI consiste nel creare un oggetto QuantumResource e verificare che sia accessibile.
get_target() recupera la descrizione hardware del backend (numero di qubit, porte di base, mappa di accoppiamento) e la converte in un oggetto Target Qiskit, che il transpiler utilizza nella Fase 2.
Fase 2: Ottimizzare il problema per l'esecuzione su hardware quantistico
Prima dell'invio, utilizzare Qiskit per traspilare il circuito nell'architettura del set di istruzioni (ISA) del backend, utilizzando l'oggetto Target recuperato nel Passo 1.
L'esempio crea quindi un Payload.QiskitPrimitive, che racchiude la stringa di circuiti OpenQASM 3 e i metadati del lavoro nello schema primitivo IBM.
Fase 3: Esecuzione tramite primitive QRMI
Una volta creato il payload, l'esempio invia il processo e verifica quando è stato completato. task_start() restituisce immediatamente un ID del processo; task_status() viene interrogato finché lo stato non è più Queued/Running. I risultati vengono recuperati come stringa JSON non elaborata e analizzati per estrarre i campioni di misurazione.
La cella seguente raggruppa le operazioni di acquisizione, esecuzione e pulizia, in modo che eventuali errori verificatisi dopo l’acquisizione comportino comunque il rilascio di una sessione di proprietà del notebook.
# ── 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.
Interfaccia Qiskit di livello superiore: QRMIService e SamplerV2
Il ciclo di vita grezzo sopra riportato consente un controllo esplicito su ogni chiamata. Per i flussi di lavoro standard di Qiskit, QRMI fornisce una primitiva SamplerV2 che implementa BaseSamplerV2.
SamplerV2 gestisce la serializzazione del payload, l'invio (task_start), il polling e la decodifica dei risultati. In un ambiente HPC batch (ad esempio, con Slurm), l'allocazione e il rilascio sono gestiti dallo scheduler e dal plugin SPANK. In una sessione interattiva di “ Python ” che utilizza oggetti API diretti di basso livello, acquire() e release() possono essere utilizzati per gestire in modo esplicito le sessioni dedicate.
# 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}
Contesto HPC: Iniezione di risorse Slurm
In un cluster HPC, gli utenti richiedono risorse quantistiche utilizzando la sintassi Slurm GRES insieme alle opzioni del plugin QRMI SPANK. Il plugin gestisce automaticamente l'inserimento delle credenziali e delle risorse:
#SBATCH --gres=qpu:1
#SBATCH --qpu=ibm_kingston
python my_workflow.py # QRMI_JOB_QPU_RESOURCES and QRMI_JOB_QPU_TYPES are already setIl codice dell'applicazione rileva le risorse che gli sono state assegnate in fase di esecuzione — senza nomi di backend hardcoded:
# 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
Esempio di hardware su larga scala: SQD su N
Qui abbiamo integrato tutti i componenti in un flusso di lavoro completo di chimica quantistica su scala più ampia, eseguito su hardware reale dell' IBM Quantum e tramite QRMI.
SQD riunisce i seguenti elementi:
- Campionamento quantistico di un ansatz di tipo Local Unitary Cluster Jastrow (LUCJ) costruito utilizzando
ffsime inizializzato a partire dalle ampiezze CCSD - Transpilazione sensibile all'hardware che si adatta alla topologia a reticolo "heavy-hex" tramite
generate_lucj_pass_manager - Esecuzione del campionamento su hardware IBM Quantum, gestito tramite e
QRMIServiceQRMISamplerV2 - Post-elaborazione classica: recupero della configurazione auto-coerente e diagonalizzazione iterativa del sottospazio mediante
qiskit-addon-sqd
Applichiamo il metodo SQD a N , con una distanza di legame pari a 1.0 e uno spazio attivo derivato dall'insieme di basi cc-pVDZ (26 orbitali spaziali, corrispondenti a 52 spin-orbitali/qubit).
Energia di riferimento per N /cc-pVDZ spazio attivo (distanza di legame 1.0 ):
- Energia di riferimento (calcolo SCI separato): − 109.22802922 Ha
Il codice SQD riportato di seguito illustra l'esecuzione end-to-end di QRMI su un hardware dell IBM Quantum. Con una singola ripetizione del LUCJ e 100.000 simulazioni, il risultato si colloca a circa 23.7 kcal/mol al di sopra dell'energia di riferimento e non raggiunge la precisione chimica (≤ 1 kcal/mol). Modificare n_reps il numero di scatti o il numero di iterazioni SQD potrebbe migliorare la precisione, ma richiede ulteriori test.
Nella simulazione salvata, il gestore dei passaggi ffsim ha rimosso le interazioni con spin opposto e (24, 24) (20, 20) poiché il backend non era in grado di gestirle. I risultati riportati si basano su questo circuito modificato.
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)
Passi successivi
Se questo lavoro ti è sembrato interessante, potrebbero interessarti anche i seguenti contenuti:
- Tutorial sulla diagonalizzazione quantistica basata su campioni — il flusso di lavoro completo di chimica SQD su IBM Quantum Platform, comprese molecole più grandi e insiemi di basi
- Diagonalizzazione quantistica di Krylov basata su campioni : un metodo correlato che utilizza circuiti di evoluzione temporale per modelli a reticolo fermionico
qiskit-addon-sqddocumentazione — riferimento completo all'API e tutorial aggiuntivi per la libreria di post-elaborazione SQD- Repository QRMI GitHub — codice sorgente, esempi aggiuntivi di backend (CUDA-Q, C, Lua)
- Documento di sintesi sul QRMI — Descrizione tecnica dell'architettura del QRMI e dell'integrazione con l'HPC
- IBM Quantum Compute Guida alle sessioni di servizio — come le sessioni si rapportano al QRMI
acquire/releaseciclo di vita per i backend di IBM