Simular a dispersão de nêutrons em materiais quânticos com circuitos quânticos
Estimativa de tempo de execução: 13 minutos em um processador Heron r2 (NOTA: Trata-se apenas de uma estimativa. (O tempo de execução pode variar.)
Use este tutorial para aprender a implementação passo a passo, com o cálculo clássico sendo executado localmente no seu laptop e a execução em hardware em uma QPU da IBM Quantum®. O exemplo em grande escala requer uma quantidade considerável de memória, e a compilação quântica aproximada (AQC) pode levar várias horas em um laptop comum. Para transferir a compressão para os recursos de computação e memóri Qiskit Serverless, utilize o tutorial complementar sobre Serverless.
Resultados do aprendizado
- Como os espectros de espalhamento inelástico de nêutrons (INS) se relacionam com os fatores de estrutura dinâmicos (DSFs) dos modelos de spin quântico.
- Como preparar um estado fundamental, aplicar uma perturbação local e realizar a evolução temporal de Trotter em um circuito quântico.
- Como usar a compilação quântica aproximada (AQC) com
qiskit-addon-aqc-tensorpara compactar circuitos de Trotter profundos para execução em hardware. - Como extrair a função de Green retardada (RGF) a partir dos valores esperados dos qubits e transformá-la por meio da transformada de Fourier em uma DSF.
Pré-requisitos
- Noções básicas de informação quântica
- Design de algoritmos variacionais
- Introdução ao “ Qiskit primitives ” (Estimador e Amostrador)
Segundo plano
Neste tutorial, reproduzimos os resultados de Lee et al., arXiv:2603.15608.
A dispersão de nêutrons ajuda os pesquisadores a caracterizar materiais relevantes para a sustentabilidade, incluindo eletrodos de baterias. Este tutorial explora como os circuitos quânticos podem simular excitações magnéticas e relacionar modelos teóricos às medições de espalhamento. Seu exemplo de ímã quântico desenvolve métodos para o estudo do comportamento dos materiais, contribuindo para o conjunto mais amplo de ferramentas de pesquisa voltadas para a descoberta de novos materiais.
Espalhamento inelástico de nêutrons e o fator de estrutura dinâmico
A dispersão inelástica de nêutrons (INS) é uma das técnicas experimentais mais poderosas para o estudo das excitações magnéticas em materiais quânticos. Quando um feixe de nêutrons térmicos ou frios incide sobre um cristal, os nêutrons individuais trocam tanto o momento quanto a energia com o subsistema magnético. A intensidade de espalhamento medida é proporcional ao fator de estrutura dinâmica (DSF),
que codifica todas as correlações espaço-temporais dos graus de liberdade de spin.
KCuF: um ímã canônico do tipo líquido de Luttinger
O fluoreto de potássio e cobre ( KCuF ) é um antiferromagneto quase unidimensional no qual cadeias de íons spin- Cu interagem por meio de um de troca de Heisenberg entre vizinhos mais próximos, enquanto o acoplamento entre cadeias é apenas de . Em , onde há dados de INS disponíveis, o espectro é dominado por excitações de spinons fracionadas, características de um líquido de Tomonaga-Luttinger. Como a dinâmica intracadeia é bem descrita pelo hamiltoniano unidimensional de spin- XXZ no ponto isotrópico ( ),
KCuF serve como um modelo de referência ideal para simulação quântica: o hamiltoniano é simples o suficiente para ser implementado em um processador quântico, mas o estado fundamental apresenta forte entrelaçamento e o espectro de excitação apresenta um amplo continuum de dois spinons.
Observação: este tutorial define como unidade de energia e adota a normalização , que corresponde ao hamiltoniano local utilizado na implementação do circuito apresentada no artigo (Fig. S3 (do suplemento). O hamiltoniano completo do artigo (Eq. 3) apresenta um fator geral adicional de 2; portanto, o valor de “ ” do artigo é o dobro do valor de “ ” utilizado aqui.
O que simulamos e medimos
A grandeza física que calculamos é a função de Green retardada (RGF), definida como a função de correlação spin-spin dependente do tempo
onde é um ponto de referência (o centro da cadeia) e é o operador de spin na representação de Heisenberg. Neste tutorial, vamos nos concentrar no componente “ ” ( ). Em um computador quântico, o RGF é acessado preparando-se o estado fundamental, aplicando-se uma perturbação local em , evoluindo-se o estado perturbado no tempo e medindo-se o valor esperado do qubit único em cada local para cada passo temporal. A ideia principal é que cada representa a diferença em relação à magnetização do estado fundamental; como o antiferromagneto isotrópico de Heisenberg possui magnetização líquida por vazio igual a zero ( ), o valor bruto medido resulta diretamente em sem qualquer subtração explícita.
Ao coletar o em todos os locais e intervalos de tempo, montamos um conjunto de dados bidimensional que é então submetido à transformada de Fourier tanto no espaço quanto no tempo para produzir o fator de estrutura dinâmica . O DSF é a grandeza medida diretamente em um experimento de INS: ele nos informa quais excitações magnéticas existem em cada momento e energia . Para a cadeia de Heisenberg isotrópica, o espectro de excitação exato é um contínuo de dois spinons, uma ampla faixa de intensidade de espalhamento cuja forma serve como um rigoroso parâmetro de referência de ponta a ponta para a simulação quântica: ela valida de uma só vez a preparação do estado fundamental, a perturbação, a evolução temporal de Trotter e o protocolo de medição.
Fluxo de trabalho de simulação quântica
O fluxo de trabalho reflete a física de um evento INS. Nós (1) preparamos o estado fundamental de muitos corpos em qubits, (2) aplicamos uma perturbação local de inversão de spin no centro da cadeia para simular a transferência de spin do nêutron, (3) evoluímos sob em passos de tempo discretos usando a trotterização de segunda ordem e (4) medimos em cada qubit a cada passo para obter o RGF. A transformada discreta de Fourier bidimensional fornece, então, o DSF .
A observável que medimos a cada passo temporal é em cada qubit . No Qiskit, isso é representado como uma lista de SparsePauliOp operadores: um operador de qubit único incorporado na sequência de identidade de -qubit para cada local. Essas variáveis observáveis são construídas uma vez por instância do problema durante a etapa de mapeamento do problema (Etapa 1) e reutilizadas para todos os circuitos nessa escala.
Compilação quântica aproximada (AQC)
Os circuitos Deep Trotter podem ser compactados por meio da compilação quântica aproximada (AQC), que substitui as primeiras camadas do Trotter por um ansatz parametrizado mais curto, cujos parâmetros são otimizados classicamente para maximizar a fidelidade no nível do MPS em relação ao circuito profundo original. Os passos restantes do algoritmo de Trotter são anexados exatamente, resultando em um circuito “misto” de AQC + Trotter com um número substancialmente menor de portas de dois qubits.
Simulação MPS
Para um sistema unidimensional, os métodos de estado de produto matricial (MPS) podem simular com eficiência tanto a preparação do estado fundamental (com o grupo de renormalização da matriz de densidade, ou DMRG) quanto a evolução temporal no nível do circuito. Ao controlar a dimensão da ligação , fazemos um equilíbrio entre precisão e custo computacional. Neste tutorial, utilizamos a simulação MPS para qiskit-addon-aqc-tensor calcular ansätze AQC de alta fidelidade que compactam os circuitos de Trotter profundos para execução em hardware.
Requisitos
Antes de iniciar este tutorial, certifique-se de ter os seguintes itens instalados:
- Qiskit SDK com suporte à visualização
- Qiskit Runtime (
pip install qiskit-ibm-runtime) qiskit-addon-aqc-tensorcomquimbe os recursos adicionais do JAX (pip install 'qiskit-addon-aqc-tensor[quimb-jax]')
Instalação
import timeit
import warnings
from collections.abc import Iterator, Sequence
from functools import partial
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
import quimb.tensor as qtn
import scipy.optimize
from numpy.typing import NDArray
from qiskit import QuantumCircuit
from qiskit.circuit import CircuitInstruction, ParameterVector, Qubit
from qiskit.circuit.library import PauliEvolutionGate
from qiskit.primitives import StatevectorEstimator
from qiskit.quantum_info import SparsePauliOp
from qiskit.transpiler.preset_passmanagers import generate_preset_pass_manager
from qiskit_addon_aqc_tensor import generate_ansatz_from_circuit
from qiskit_addon_aqc_tensor.objective import MaximizeStateFidelity
from qiskit_addon_aqc_tensor.simulation import tensornetwork_from_circuit
from qiskit_addon_aqc_tensor.simulation.quimb import QuimbSimulator
from qiskit_ibm_runtime import EstimatorV2 as Estimator
from qiskit_ibm_runtime import QiskitRuntimeService
from qiskit_quimb import quimb_circuit
from scipy.sparse import SparseEfficiencyWarning
# scipy.sparse.linalg.expm (reached via PauliEvolutionGate.to_matrix) prefers
# CSC and warns when handed the CSR matrix from SparsePauliOp.to_matrix; the
# result is unaffected, so silence the cosmetic warning.
warnings.filterwarnings("ignore", category=SparseEfficiencyWarning)
def xxz_hamiltonian_mpo(
n_qubits: int, interaction: float = 1.0, anisotropy: float = 1.0
) -> qtn.MatrixProductOperator:
"""1D XXZ Hamiltonian as a quimb MPO.
Builds the Hamiltonian using ``qtn.SpinHam1D``.
Args:
n_qubits: Number of sites.
interaction: Overall interaction strength (J in the paper).
anisotropy: XY/Z anisotropy (ε in the paper). ``ε = 1`` is the
isotropic Heisenberg point; ``ε = 0`` is the Ising limit.
Returns:
The Hamiltonian as a matrix product operator.
"""
builder = qtn.SpinHam1D(S=1 / 2)
builder += interaction * anisotropy * 0.5, "+", "-"
builder += interaction * anisotropy * 0.5, "-", "+"
builder += interaction, "Z", "Z"
return builder.build_mpo(L=n_qubits)
def build_ground_state_ansatz(n_qubits: int, n_layers: int) -> QuantumCircuit:
"""Hamiltonian variational ansatz (HVA) circuit for ground-state preparation.
Starts from a product of singlet pairs and applies alternating
odd/even layers of parameterized XXZ pair-evolution gates.
The returned circuit is parameterized: it carries a ``ParameterVector``
named ``"theta"`` of length ``2 * n_layers`` whose values must be
assigned (e.g. via ``circuit.assign_parameters``) before simulation.
Element ``2 * r`` is the odd-layer angle and element ``2 * r + 1`` is the
even-layer angle of layer ``r``.
Args:
n_qubits: Number of qubits (must be even).
n_layers: Number of HVA layers.
Returns:
The parameterized HVA preparation circuit.
"""
theta = ParameterVector("theta", 2 * n_layers)
circuit = QuantumCircuit(n_qubits)
# Initial singlet product state
for i in range(n_qubits // 2):
circuit.x(2 * i)
circuit.x(2 * i + 1)
circuit.h(2 * i + 1)
circuit.cx(2 * i + 1, 2 * i)
# Variational layers: each pair gate is exp(-i theta (XX+YY+ZZ)/2)
pair_ham = SparsePauliOp(
["XX", "YY", "ZZ"], coeffs=[0.5, 0.5, 0.5]
) # H_pair (HVA form)
for r in range(n_layers):
for i in range(1, (n_qubits + 1) // 2): # odd layer
circuit.append(
PauliEvolutionGate(pair_ham, time=theta[2 * r]),
[2 * i - 1, 2 * i],
)
for i in range(n_qubits // 2): # even layer
circuit.append(
PauliEvolutionGate(pair_ham, time=theta[2 * r + 1]),
[2 * i, 2 * i + 1],
)
return circuit
def optimize_ground_state_ansatz(
ansatz: QuantumCircuit,
x0: NDArray[np.floating],
target_mps: qtn.MatrixProductState,
*,
max_bond: int | None = None,
cutoff: float = 1e-10,
method: str = "COBYQA",
options: dict | None = None,
) -> scipy.optimize.OptimizeResult:
"""Optimize HVA parameters by maximizing fidelity with a target MPS.
The HVA circuit is simulated as a matrix product state with the given
bond-dimension truncation, and the parameters are optimized to maximize
the state fidelity ``|<psi_HVA | target_mps>|**2`` with the DMRG ground
state. Both states are normalized, so the minimized objective is the
infidelity ``1 - |<psi_HVA | target_mps>|**2``.
Args:
ansatz: Parameterized HVA circuit from ``build_ground_state_ansatz``.
The length of ``x0`` must equal ``ansatz.num_parameters``.
x0: Initial parameters.
target_mps: Target MPS (DMRG ground state) to maximize fidelity with.
max_bond: Maximum MPS bond dimension during gate application.
cutoff: Singular-value cutoff during gate application.
method: ``scipy.optimize.minimize`` method.
options: Options dict forwarded to ``scipy.optimize.minimize``.
Returns:
The Scipy OptimizeResult.
"""
def infidelity(params: NDArray[np.floating]) -> float:
circuit = ansatz.assign_parameters(params)
circuit_mps = quimb_circuit(
circuit.decompose(["PauliEvolution"]),
quimb_circuit_class=qtn.CircuitMPS,
max_bond=max_bond,
cutoff=cutoff,
)
return 1 - abs(circuit_mps.psi.H @ target_mps) ** 2
return scipy.optimize.minimize(
infidelity, np.asarray(x0), method=method, options=options
)
def trotter_evolution(
qubits: Sequence[Qubit],
interaction: float,
anisotropy: float,
time_step: float,
n_steps: int,
) -> Iterator[CircuitInstruction]:
"""Second-order Trotter steps of the XXZ pair Hamiltonian.
While the paper used a hand-optimized circuit for the Trotter steps, we use
PauliEvolutionGate here for simplicity and generality. The final two-qubit gate
count and gate depth are equivalent when transpiled with ``optimization_level=3``.
Args:
qubits: Qubits to act on (length ``n_qubits``).
interaction: Overall interaction strength (J in the paper).
anisotropy: XY/Z anisotropy (ε in the paper). ``ε = 1`` is the
isotropic Heisenberg point; ``ε = 0`` is the Ising limit.
time_step: Per-step Trotter time.
n_steps: Number of Trotter steps.
Yields:
``CircuitInstruction``s implementing the Trotter steps.
"""
if n_steps == 0:
return
n_qubits = len(qubits)
pair_ham = SparsePauliOp(
["XX", "YY", "ZZ"],
coeffs=[
0.25 * interaction * anisotropy,
0.25 * interaction * anisotropy,
0.25 * interaction,
],
)
half_evo = PauliEvolutionGate(pair_ham, time=time_step / 2)
full_evo = PauliEvolutionGate(pair_ham, time=time_step)
for i in range(n_qubits // 2): # half even layer
yield CircuitInstruction(half_evo, (qubits[2 * i], qubits[2 * i + 1]))
for i in range(n_qubits // 2 - 1): # full odd layer
yield CircuitInstruction(
full_evo, (qubits[2 * i + 1], qubits[2 * i + 2])
)
for _ in range(n_steps - 1): # interior steps
for i in range(n_qubits // 2):
yield CircuitInstruction(
full_evo, (qubits[2 * i], qubits[2 * i + 1])
)
for i in range(n_qubits // 2 - 1):
yield CircuitInstruction(
full_evo, (qubits[2 * i + 1], qubits[2 * i + 2])
)
for i in range(n_qubits // 2): # half even layer
yield CircuitInstruction(half_evo, (qubits[2 * i], qubits[2 * i + 1]))
def get_dsf(
n_qubits: int,
rgf_mat: NDArray[np.floating],
time_step: float,
n_steps: int,
n_points_momentum: int,
n_points_frequency: int,
) -> NDArray[np.floating]:
"""Compute the dynamical structure factor from the retarded Green's function.
Uses the center-site approximation and a discrete Fourier transform.
The result is symmetrized about the momentum axis and clipped to
non-negative values, ready for plotting.
Args:
n_qubits: Number of qubits (sites).
rgf_mat: RGF matrix of shape ``(n_steps, n_qubits)``.
time_step: Trotter time-step size.
n_steps: Number of time steps.
n_points_momentum: Number of momentum points.
n_points_frequency: Number of frequency points.
Returns:
DSF array of shape ``(n_points_frequency, n_points_momentum)``,
symmetrized about the momentum axis and clipped to non-negative values.
"""
max_frequency = np.pi / time_step
momentum_range = np.linspace(0, 2 * np.pi, n_points_momentum)
frequency_range = np.linspace(0, max_frequency, n_points_frequency)
result = np.zeros((frequency_range.shape[0], momentum_range.shape[0]))
center = n_qubits // 2 - 1
for iw, w in enumerate(frequency_range):
exponent = np.exp(1j * w * time_step * np.arange(1, n_steps + 1))
# S = sigma/2, so two spin operators contribute a factor of (1/2)(1/2) = 1/4.
rgf_omega = (
np.dot(rgf_mat.T, exponent) * time_step / 4
) # S(omega): time Fourier slice of the Green's function
for iq, q in enumerate(momentum_range):
momentum_phases = np.exp(
-1j * q * np.arange(-center, center + 2, 1)
)
result[iw, iq] = np.imag(np.dot(rgf_omega, momentum_phases))
result = -(result + result[:, ::-1]) / 2
result = np.clip(result, a_min=0, a_max=None)
return result
def plot_dsf(
dsf: NDArray[np.floating],
time_step: float,
n_points_momentum: int,
n_points_frequency: int,
title: str | None = None,
) -> None:
"""Heat-map of the dynamical structure factor.
Args:
dsf: DSF array of shape ``(n_points_frequency, n_points_momentum)``.
time_step: Trotter time-step size.
n_points_momentum: Number of momentum points.
n_points_frequency: Number of frequency points.
title: Optional plot title.
"""
max_frequency = np.pi / time_step
momentum_range = np.linspace(0, 2 * np.pi, n_points_momentum)
frequency_range = np.linspace(0, max_frequency, n_points_frequency)
x, y = np.meshgrid(momentum_range, frequency_range)
fig, ax = plt.subplots(figsize=(8, 5))
c = ax.pcolormesh(x, y, dsf / np.max(dsf), cmap="viridis", shading="auto")
fig.colorbar(c, ax=ax, label="Normalized intensity")
ax.set_ylim(0, 3.6)
ax.set_xlim(0, 2 * np.pi)
ax.set_xlabel(r"$q$", fontsize=16)
ax.set_ylabel(r"$\tilde{\omega} = \omega / J$", fontsize=16)
ax.set_xticks([0, np.pi / 2, np.pi, 3 * np.pi / 2, 2 * np.pi])
ax.set_xticklabels(["0", r"$\pi/2$", r"$\pi$", r"$3\pi/2$", r"$2\pi$"])
if title:
ax.set_title(title, fontsize=14)
plt.tight_layout()
plt.show()
def plot_rgf(
n_qubits: int,
rgf_mat: NDArray[np.floating],
time_step: float,
n_steps: int,
title: str | None = None,
) -> None:
"""Heat-map of the retarded Green's function in real space and time.
Args:
n_qubits: Number of qubits (sites).
rgf_mat: RGF matrix of shape ``(n_steps, n_qubits)``.
time_step: Trotter time-step size.
n_steps: Number of time steps.
title: Optional plot title.
"""
fig, ax = plt.subplots(figsize=(8, 6))
qubit_axis = np.arange(n_qubits)
t_axis = np.arange(1, n_steps + 1) * time_step
x, y = np.meshgrid(qubit_axis, t_axis)
c = ax.pcolormesh(
x,
y,
np.real(rgf_mat),
cmap="RdBu",
vmax=0.5,
vmin=-0.5,
shading="auto",
)
fig.colorbar(c, ax=ax, label=r"Re $G^R(j, j_c, t)$")
ax.set_xlabel("Qubit", fontsize=16)
ax.xaxis.set_major_locator(
plt.matplotlib.ticker.MaxNLocator(integer=True)
)
ax.set_ylabel(r"Time", fontsize=16)
if title:
ax.set_title(title, fontsize=14)
plt.tight_layout()
plt.show()
def uniform_2q_depth(circuit: QuantumCircuit) -> int:
"""Two-qubit gate depth in a standardized basis."""
pass_manager = generate_preset_pass_manager(
optimization_level=0, basis_gates=["cz", "id", "rz", "sx", "x"]
)
return pass_manager.run(circuit).depth(
lambda inst: inst.operation.num_qubits == 2
)Exemplo de simulador em pequena escala
Primeiramente, demonstramos o fluxo de trabalho completo em 10 qubits, otimizando o ansatz do estado fundamental HVA por meio da simulação MPS e utilizando o simulador de vetor de estado do Qiskit para a evolução temporal. O DMRG fornece uma energia de referência do estado fundamental e um MPS de referência. Esse exemplo em pequena escala nos permite validar cada etapa antes de ampliar a escala.
Etapa 1: Mapeie entradas clássicas para um problema quântico
Começamos definindo o modelo físico e construindo os circuitos quânticos.
Hamiltoniano. KCuF é modelado pelo hamiltoniano XXZ de 1D no ponto isotrópico ( , , definindo como unidade de energia).
Estado fundamental. Utilizamos um circuito de build_ground_state_ansatz ansatz variacional hamiltoniano (HVA) como circuito de preparação do estado fundamental. CircuitMPSOs parâmetros do HVA são otimizados de forma clássica, maximizando a fidelidade do estado com o MPS do estado fundamental do DMRG, em que o estado do HVA é avaliado por meio da simulação do circuito como um estado de produto matricial com o quimb. Utilizamos scipy.optimize.minimize para a otimização. A energia do ansatz otimizado também é calculada para fins de referência.
Portões para trotadores. Cada termo de interação de vizinho mais próximo com é construído com PauliEvolutionGate(H_pair, time=time_step). O Qiskit sintetiza isso na decomposição ótima de três CNOTs durante a transpilagem.
Perturbação. Um portão “ ” no qubit central implementa um “ ”, imitando a inversão de spin local produzida por um nêutron espalhado.
Observáveis. Construímos um observável de tipo “ ” para cada local de qubit. Esses SparsePauliOp objetos são passados para a primitiva Estimator na Etapa 3, a fim de extrair em cada passo temporal.
# -- Physical parameters --
n_qubits = 10
interaction = 1.0 # J
anisotropy = 1.0 # ε (isotropic point)
time_step = 0.6
n_steps = 10
mps_max_bond = 32
mps_cutoff = 1e-8
center = n_qubits // 2 - 1
# -- Hamiltonian MPO --
ham_mpo = xxz_hamiltonian_mpo(n_qubits, interaction, anisotropy)
# -- Reference ground-state energy via DMRG --
dmrg = qtn.DMRG2(ham_mpo)
dmrg.solve(tol=1e-8)
print(f"Ground-state energy (DMRG): {dmrg.energy:.6f}")
# -- Build ground state ansatz circuit --
gs_n_layers = 3
gs_ansatz = build_ground_state_ansatz(n_qubits, gs_n_layers)
# -- Optimize ground state ansatz parameters to maximize fidelity with the DMRG MPS --
# Initialize odd-layer angles near 0 (where the inter-pair gate is the
# identity) and even-layer angles near pi/2 (where the intra-pair gate
# is a SWAP, since 0.5*(XX + YY + ZZ) = SWAP - I/2).
rng = np.random.default_rng(12345)
x0 = np.tile([0, np.pi / 2], gs_n_layers) + rng.normal(
scale=0.1, size=2 * gs_n_layers
)
print("Optimizing ground state ansatz...")
t0 = timeit.default_timer()
result = optimize_ground_state_ansatz(
gs_ansatz,
x0,
dmrg.state,
max_bond=mps_max_bond,
cutoff=mps_cutoff,
options=dict(maxiter=100),
)
t1 = timeit.default_timer()
print(f"Finished optimizing ground state ansatz in {t1 - t0} seconds.")
print(f"Ground state ansatz fidelity: {1 - result.fun:.6f}")
gs_circuit = gs_ansatz.assign_parameters(result.x)
gs_circuit_mps = quimb_circuit(
gs_circuit.decompose(["PauliEvolution"]),
quimb_circuit_class=qtn.CircuitMPS,
max_bond=mps_max_bond,
cutoff=mps_cutoff,
)
gs_ansatz_energy = qtn.expec_TN_1D(
gs_circuit_mps.psi.H, ham_mpo, gs_circuit_mps.psi
)
print(f"Ground state ansatz energy: {gs_ansatz_energy:.6f}")
# -- Build circuits for each time step --
perturbed = gs_circuit.copy()
perturbed.rz(np.pi / 2, center)
circuits = []
for t in range(1, n_steps + 1):
circuit = perturbed.copy()
for instr in trotter_evolution(
circuit.qubits, interaction, anisotropy, time_step, t
):
circuit.append(instr)
circuits.append(circuit)
print(
f"Built {len(circuits)} circuits, deepest 2q depth (uniform basis) = "
f"{uniform_2q_depth(circuits[-1])}"
)
# -- Observables: Z on each qubit site --
observables = [
SparsePauliOp.from_sparse_list([("Z", [i], 1)], num_qubits=n_qubits)
for i in range(n_qubits)
]
print(f"Defined {len(observables)} Z observables.")Output:
Ground-state energy (DMRG): -4.258035
Optimizing ground state ansatz...
Finished optimizing ground state ansatz in 8.850687621976249 seconds.
Ground state ansatz fidelity: 0.984277
Ground state ansatz energy: -4.232565
Built 10 circuits, deepest 2q depth (uniform basis) = 163
Defined 10 Z observables.
Etapa 2: Otimizar o problema para execução em hardware quântico
Para um hardware real, os circuitos de Trotter acima seriam muito complexos. A compilação quântica aproximada (AQC) resolve essa questão substituindo as primeiras camadas de Trotter de (incluindo o circuito do estado fundamental) por um ansatz parametrizado mais curto, otimizado para maximizar a fidelidade no nível do MPS em relação ao circuito profundo original. Os passos restantes do algoritmo de Trotter são anexados exatamente, resultando em um circuito “AQC + Trotter” menos complexo.
Para equilibrar a expressividade com a profundidade do circuito, são utilizadas duas abordagens: uma abordagem de uma camada (gerada a partir de um único passo de Trotter) comprime os primeiros passos temporais, e uma abordagem mais profunda de duas camadas (gerada a partir de dois passos de Trotter) comprime os passos seguintes, nos quais é necessária maior fidelidade.
O fluxo de trabalho do AQC possui quatro subetapas:
- Construa os circuitos-alvo — os primeiros circuitos “ ” da Etapa 1 servem diretamente como alvos para o AQC.
- Calcular o MPS de destino — simular cada circuito de destino como um estado de produto matricial usando
quimb.tensor.CircuitMPS. - Gerar e otimizar ansätze —
generate_ansatz_from_circuitcria um ansatz parametrizado de uma camada e outro de duas camadas; os parâmetros são otimizados utilizando o algoritmo L-BFGS-B com gradientes acelerados por JAX para minimizar . Os primeiros passos utilizam o ansatz de uma camada e os passos seguintes utilizam o ansatz de duas camadas; dentro de cada estágio, cada passo inicia a partir dos parâmetros otimizados do passo anterior, e os parâmetros são redefinidos para os padrões do estágio no limite do estágio. - Montar circuitos mistos — para intervalos de tempo além do ponto de verificação do AQC, acrescentar camadas exatas de Trotter ao circuito AQC otimizado de duas camadas usando
trotter_evolution.
# Number of time steps to compress into an AQC ansatz with one layer
aqc_n_steps_1 = 3
# Number of time steps to compress into an AQC ansatz with two layers
aqc_n_steps_2 = 2
aqc_n_steps_total = aqc_n_steps_1 + aqc_n_steps_2
# ── Step 2a: Target circuits (first aqc_n_steps_total circuits from Step 1) ──
target_circuits = {
k: circuits[k - 1] for k in range(1, aqc_n_steps_total + 1)
}
# ── Step 2b: Compute target MPS ──
# Decompose PauliEvolutionGate to RXX/RYY/RZZ before passing to the AQC MPS
# backend, which does not understand PauliEvolutionGate natively.
aqc_sim = QuimbSimulator(
quimb_circuit_factory=partial(
qtn.CircuitMPS,
gate_opts=dict(max_bond=mps_max_bond, cutoff=mps_cutoff),
),
autodiff_backend="jax",
)
print("\nStep 2b — target MPS:")
target_mps = {}
for k in range(1, aqc_n_steps_total + 1):
target_mps[k] = tensornetwork_from_circuit(
target_circuits[k].decompose(["PauliEvolution"]), aqc_sim
)
print(f" k={k}: max bond = {target_mps[k].psi.max_bond()}")
# ── Step 2c: Generate ansätze (one-layer and two-layer) and optimize parameters ──
ansatz_1, initial_params_1 = generate_ansatz_from_circuit(
target_circuits[1].decompose(["PauliEvolution"]),
qubits_initially_zero=True,
)
initial_params_1 = np.array(initial_params_1)
ansatz_2, initial_params_2 = generate_ansatz_from_circuit(
target_circuits[2].decompose(["PauliEvolution"]),
qubits_initially_zero=True,
)
initial_params_2 = np.array(initial_params_2)
print(
f"\nStep 2c — one-layer ansatz: {ansatz_1.num_parameters} parameters, "
f"2q depth (uniform basis) = {uniform_2q_depth(ansatz_1)}"
)
print(
f"Step 2c — two-layer ansatz: {ansatz_2.num_parameters} parameters, "
f"2q depth (uniform basis) = {uniform_2q_depth(ansatz_2)}"
)
aqc_circuits = {}
aqc_params = {}
for k in range(1, aqc_n_steps_total + 1):
if k <= aqc_n_steps_1:
ansatz, base_params = ansatz_1, initial_params_1
else:
ansatz, base_params = ansatz_2, initial_params_2
# Warm-start from the previous step only within the same stage
same_stage = (k - 1 >= 1) and (
(k - 1 <= aqc_n_steps_1) == (k <= aqc_n_steps_1)
)
x0 = aqc_params[k - 1] if same_stage else base_params
obj = MaximizeStateFidelity(target_mps[k], ansatz, aqc_sim)
t0 = timeit.default_timer()
result = scipy.optimize.minimize(
obj.loss_function,
x0,
method="L-BFGS-B",
jac=True,
options=dict(maxiter=100),
)
elapsed = timeit.default_timer() - t0
aqc_params[k] = result.x
aqc_circuits[k] = ansatz.assign_parameters(result.x)
print(
f" k={k}: fidelity = {1 - result.fun:.4f}, "
f"2q depth (uniform basis) = "
f"{uniform_2q_depth(aqc_circuits[k])}, "
f"{elapsed:.1f}s"
)
# ── Step 2d: Assemble full circuit set (AQC + Trotter) ──
all_circuits = []
for k in range(1, aqc_n_steps_total + 1):
all_circuits.append(aqc_circuits[k])
base = aqc_circuits[aqc_n_steps_total]
for k in range(1, n_steps - aqc_n_steps_total + 1):
circuit = base.copy()
for instr in trotter_evolution(
circuit.qubits, interaction, anisotropy, time_step, k
):
circuit.append(instr)
all_circuits.append(circuit)
full_depths = [
uniform_2q_depth(circuits[k - 1]) for k in range(1, n_steps + 1)
]
aqc_depths = [uniform_2q_depth(circuit) for circuit in all_circuits]
full_2q = [
circuits[k - 1].decompose(["PauliEvolution"]).num_nonlocal_gates()
for k in range(1, n_steps + 1)
]
aqc_2q = [
circuit.decompose(["PauliEvolution"]).num_nonlocal_gates()
for circuit in all_circuits
]
print(f"\nStep 2d — assembled {len(all_circuits)} circuits")
print(
f" At step {n_steps} (uniform basis): "
f"Trotter 2q depth = {full_depths[-1]}, AQC+Trotter 2q depth = {aqc_depths[-1]}; "
f"2q gates: Trotter = {full_2q[-1]}, AQC+Trotter = {aqc_2q[-1]}"
)
steps_axis = np.arange(1, n_steps + 1)
fig, ax = plt.subplots(figsize=(7, 4))
ax.plot(steps_axis, full_depths, "-o", color="black", label="Full Trotter")
ax.plot(
steps_axis, aqc_depths, "-o", color="cadetblue", label="AQC + Trotter"
)
ax.set_xlabel("Trotter steps", fontsize=13)
ax.xaxis.set_major_locator(plt.matplotlib.ticker.MaxNLocator(integer=True))
ax.set_ylabel("2q gate depth (uniform basis)", fontsize=13)
ax.set_title(f"AQC circuit-depth reduction ({n_qubits} qubits)", fontsize=13)
ax.legend(fontsize=11)
plt.tight_layout()
plt.show()Output:
Step 2b — target MPS:
k=1: max bond = 22
k=2: max bond = 22
k=3: max bond = 26
k=4: max bond = 27
k=5: max bond = 30
Step 2c — one-layer ansatz: 389 parameters, 2q depth (uniform basis) = 27
Step 2c — two-layer ansatz: 470 parameters, 2q depth (uniform basis) = 33
k=1: fidelity = 1.0000, 2q depth (uniform basis) = 27, 11.8s
k=2: fidelity = 0.9980, 2q depth (uniform basis) = 27, 13.2s
k=3: fidelity = 0.9890, 2q depth (uniform basis) = 27, 13.7s
k=4: fidelity = 0.9983, 2q depth (uniform basis) = 33, 16.4s
k=5: fidelity = 0.9957, 2q depth (uniform basis) = 33, 16.4s
Step 2d — assembled 10 circuits
At step 10 (uniform basis): Trotter 2q depth = 163, AQC+Trotter 2q depth = 99; 2q gates: Trotter = 371, AQC+Trotter = 200
Etapa 3: Executar usando Qiskit primitives
Simulamos cada circuito compilado pelo AQC utilizando a StatevectorEstimator primitiva.
estimator = StatevectorEstimator()
pubs = [(circuit, observables) for circuit in all_circuits]
job = estimator.run(pubs)
result = job.result()Etapa 4: Realizar o pós-processamento e apresentar o resultado no formato clássico desejado
Agora, extraímos o valor esperado para cada qubit em cada passo temporal . Esses valores formam a matriz da função de Green retardada . Em seguida, aplicamos a transformada de Fourier à RGF para obter o fator de estrutura dinâmica e representamos graficamente tanto a RGF quanto o DSF. get_dsf aplica a simetria espelhada e limita internamente os valores negativos.
rgf_mat = np.stack([pub_result.data.evs for pub_result in result])
# -- Compute DSF --
n_points_momentum, n_points_frequency = 100, 100
spectrum = get_dsf(
n_qubits,
rgf_mat,
time_step,
n_steps,
n_points_momentum,
n_points_frequency,
)
# -- Plot retarded Green's function --
plot_rgf(
n_qubits,
rgf_mat,
time_step,
n_steps,
title=f"Retarded Green's function — {n_qubits} qubits (simulation)",
)
# -- Plot DSF --
plot_dsf(
spectrum,
time_step,
n_points_momentum,
n_points_frequency,
title=f"Dynamical structure factor — {n_qubits} qubits (simulation)",
)Output:
Execução em hardware em grande escala
Agora ampliamos para 50 qubits. Nessa escala, as otimizações atingem fidelidades menores do que no exemplo em pequena escala: a fidelidade do ansatz do estado fundamental cai para cerca de 0.65, e as fidelidades do AQC diminuem para cerca de 0.7 nos pontos de verificação posteriores. Isso é esperado, e é possível melhorar essas precisões aumentando o número de camadas do ansatz do estado fundamental (gs_n_layers) ou o número de iterações de otimização (maxiter) com um custo clássico adicional. Observe também que as fidelidades do AQC de duas camadas são menores do que as do AQC de uma camada. Isso não é uma regressão: os passos temporais posteriores geram mais entrelaçamento e são simplesmente mais difíceis de comprimir, razão pela qual se utiliza para eles o ansatz de duas camadas, que é mais expressivo.
A otimização do AQC também pode levar várias horas de tempo de computação clássico (aproximadamente seis horas na execução mostrada aqui, sendo que a maior parte desse tempo é dedicada aos pontos de verificação de duas camadas na Etapa 2c ). Para reduzir o tempo real, considere executar este notebook em um hardware clássico mais potente, como um sistema de computação de alto desempenho (HPC). Como alternativa, você pode reduzir a escala para uma instância menor do problema (por exemplo, com menos qubits ou menos passos temporais); nesse caso, seus resultados serão diferentes dos apresentados aqui.
O código abaixo segue a mesma estrutura de quatro etapas do exemplo em pequena escala. Os parâmetros do estado fundamental do HVA são novamente otimizados por meio da simulação MPS. Na QPU, ativamos o desacoplamento dinâmico (DD), o “Pauli twirling” e a supressão de erros por leitura com “twirling” (TREX) para suprimir e mitigar erros. A tabela a seguir resume as diferenças entre o experimento em grande escala e o de pequena escala:
Pequena escala | Em grande escala | |
|---|---|---|
| Qubits | 22 | 50 |
| Intervalos de tempo | 22 | 20 |
| Pontos de verificação de AQC (1 camada + 2 camadas) | 3 + 2 = 5 | 6 + 4 = 10 |
| Camadas do ansatz do estado fundamental | 3 | 5 |
| Dimensão máxima da ligação do MPS | 32 | 128 |
| Orçador | StatevectorEstimator | QPU com DD, giro de Pauli e TREX |
Durante a otimização do AQC (Etapa 2c abaixo), você poderá ver stderr mensagens como:
[Compiling module jit_MakeArrayFn for CPU] Very slow compile? ...
The operation took 2m14s
Esses são diagnósticos benignos do XLA, o compilador que dá suporte qiskit-addon-aqc-tensorao autodiff do JAX. Com 50 qubits e dimensão de ligação MPS igual a 128, o XLA leva alguns minutos para compilar a função de gradiente na primeira vez em que ela é traçada. A compilação é bem-sucedida, e os resultados da otimização não são afetados.
# ── Parameters ──────────────────────────────────────────────────────────────
n_qubits = 50 # 10 → 50
interaction = 1.0 # J
anisotropy = 1.0 # ε (isotropic point)
time_step = 0.6
n_steps = 20 # 10 → 20
aqc_n_steps_1 = 6 # 3 → 6
aqc_n_steps_2 = 4 # 2 → 4
aqc_n_steps_total = aqc_n_steps_1 + aqc_n_steps_2
gs_n_layers = 5 # 3 → 5
mps_max_bond = 128 # 32 -> 128
mps_cutoff = 1e-8
center = n_qubits // 2 - 1
# ── Step 1: Map ──────────────────────────────────────────────────────────────
ham_mpo = xxz_hamiltonian_mpo(n_qubits, interaction, anisotropy)
dmrg = qtn.DMRG2(ham_mpo)
dmrg.solve(tol=1e-8)
print(f"Ground-state energy (DMRG): {dmrg.energy:.6f}")
gs_ansatz = build_ground_state_ansatz(n_qubits, gs_n_layers)
rng = np.random.default_rng(12345)
x0 = np.tile([0.0, np.pi / 2], gs_n_layers) + rng.normal(
scale=0.1, size=2 * gs_n_layers
)
print("Optimizing ground state ansatz...")
t0 = timeit.default_timer()
result = optimize_ground_state_ansatz(
gs_ansatz,
x0,
dmrg.state,
max_bond=mps_max_bond,
cutoff=mps_cutoff,
options=dict(maxiter=100),
)
t1 = timeit.default_timer()
print(f"Finished optimizing ground state ansatz in {t1 - t0} seconds.")
print(f"Ground state ansatz fidelity: {1 - result.fun:.6f}")
gs_circuit = gs_ansatz.assign_parameters(result.x)
gs_circuit_mps = quimb_circuit(
gs_circuit.decompose(["PauliEvolution"]),
quimb_circuit_class=qtn.CircuitMPS,
max_bond=mps_max_bond,
cutoff=mps_cutoff,
)
gs_ansatz_energy = qtn.expec_TN_1D(
gs_circuit_mps.psi.H, ham_mpo, gs_circuit_mps.psi
)
print(f"Ground state ansatz energy: {gs_ansatz_energy:.6f}")
perturbed = gs_circuit.copy()
perturbed.rz(np.pi / 2, center)
circuits = []
for t in range(1, n_steps + 1):
circuit = perturbed.copy()
for instr in trotter_evolution(
circuit.qubits, interaction, anisotropy, time_step, t
):
circuit.append(instr)
circuits.append(circuit)
print(
f"Built {len(circuits)} circuits, deepest 2q depth (uniform basis) = "
f"{uniform_2q_depth(circuits[-1])}"
)
observables = [
SparsePauliOp.from_sparse_list([("Z", [i], 1)], num_qubits=n_qubits)
for i in range(n_qubits)
]
print(f"Defined {len(observables)} Z observables.")
# ── Step 2: AQC ──────────────────────────────────────────────────────────────
target_circuits = {
k: circuits[k - 1] for k in range(1, aqc_n_steps_total + 1)
}
aqc_sim = QuimbSimulator(
quimb_circuit_factory=partial(
qtn.CircuitMPS,
gate_opts=dict(max_bond=mps_max_bond, cutoff=mps_cutoff),
),
autodiff_backend="jax",
)
print("\nStep 2b — target MPS:")
target_mps = {}
for k in range(1, aqc_n_steps_total + 1):
target_mps[k] = tensornetwork_from_circuit(
target_circuits[k].decompose(["PauliEvolution"]), aqc_sim
)
print(f" k={k}: max bond = {target_mps[k].psi.max_bond()}")
ansatz_1, initial_params_1 = generate_ansatz_from_circuit(
target_circuits[1].decompose(["PauliEvolution"]),
qubits_initially_zero=True,
)
initial_params_1 = np.array(initial_params_1)
ansatz_2, initial_params_2 = generate_ansatz_from_circuit(
target_circuits[2].decompose(["PauliEvolution"]),
qubits_initially_zero=True,
)
initial_params_2 = np.array(initial_params_2)
print(
f"\nStep 2c — one-layer ansatz: {ansatz_1.num_parameters} parameters, "
f"2q depth (uniform basis) = {uniform_2q_depth(ansatz_1)}"
)
print(
f"Step 2c — two-layer ansatz: {ansatz_2.num_parameters} parameters, "
f"2q depth (uniform basis) = {uniform_2q_depth(ansatz_2)}"
)
aqc_circuits = {}
aqc_params = {}
for k in range(1, aqc_n_steps_total + 1):
if k <= aqc_n_steps_1:
ansatz, base_params = ansatz_1, initial_params_1
else:
ansatz, base_params = ansatz_2, initial_params_2
# Warm-start from the previous step only within the same stage
same_stage = (k - 1 >= 1) and (
(k - 1 <= aqc_n_steps_1) == (k <= aqc_n_steps_1)
)
x0 = aqc_params[k - 1] if same_stage else base_params
obj = MaximizeStateFidelity(target_mps[k], ansatz, aqc_sim)
t0 = timeit.default_timer()
result = scipy.optimize.minimize(
obj.loss_function,
x0,
method="L-BFGS-B",
jac=True,
options=dict(maxiter=100),
)
elapsed = timeit.default_timer() - t0
aqc_params[k] = result.x
aqc_circuits[k] = ansatz.assign_parameters(result.x)
print(
f" k={k}: fidelity = {1 - result.fun:.4f}, "
f"2q depth (uniform basis) = "
f"{uniform_2q_depth(aqc_circuits[k])}, "
f"{elapsed:.1f}s"
)
all_circuits = []
for k in range(1, aqc_n_steps_total + 1):
all_circuits.append(aqc_circuits[k])
base = aqc_circuits[aqc_n_steps_total]
for k in range(1, n_steps - aqc_n_steps_total + 1):
circuit = base.copy()
for instr in trotter_evolution(
circuit.qubits, interaction, anisotropy, time_step, k
):
circuit.append(instr)
all_circuits.append(circuit)
full_depths = [
uniform_2q_depth(circuits[k - 1]) for k in range(1, n_steps + 1)
]
aqc_depths = [uniform_2q_depth(circuit) for circuit in all_circuits]
full_2q = [
circuits[k - 1].decompose(["PauliEvolution"]).num_nonlocal_gates()
for k in range(1, n_steps + 1)
]
aqc_2q = [
circuit.decompose(["PauliEvolution"]).num_nonlocal_gates()
for circuit in all_circuits
]
print(f"\nStep 2d — assembled {len(all_circuits)} circuits")
print(
f" At step {n_steps} (uniform basis): "
f"Trotter 2q depth = {full_depths[-1]}, AQC+Trotter 2q depth = {aqc_depths[-1]}; "
f"2q gates: Trotter = {full_2q[-1]}, AQC+Trotter = {aqc_2q[-1]}"
)
steps_axis = np.arange(1, n_steps + 1)
fig, ax = plt.subplots(figsize=(7, 4))
ax.plot(steps_axis, full_depths, "-o", color="black", label="Full Trotter")
ax.plot(
steps_axis, aqc_depths, "-o", color="cadetblue", label="AQC + Trotter"
)
ax.set_xlabel("Trotter steps", fontsize=13)
ax.xaxis.set_major_locator(plt.matplotlib.ticker.MaxNLocator(integer=True))
ax.set_ylabel("2q gate depth (uniform basis)", fontsize=13)
ax.set_title(f"AQC circuit-depth reduction ({n_qubits} qubits)", fontsize=13)
ax.legend(fontsize=11)
plt.tight_layout()
plt.show()
# ── Step 3: Execute on IBM Quantum hardware ───────────────────────────────────
# (replaces StatevectorEstimator)
service = QiskitRuntimeService()
backend = service.least_busy(
min_num_qubits=n_qubits,
operational=True,
simulator=False,
filters=lambda x: x.configuration().processor_type["family"] == "Heron",
)
print(f"Backend: {backend.name}")
pm = generate_preset_pass_manager(optimization_level=3, backend=backend)
isa_circuits = pm.run(all_circuits, num_processes=1)
isa_2q_depths = [
isa_circuit.depth(lambda inst: inst.operation.num_qubits == 2)
for isa_circuit in isa_circuits
]
print(
f"Transpiled 2q depth (deepest, ISA on {backend.name}): "
f"{max(isa_2q_depths)} "
f"(2q gates: {max(isa_circuit.num_nonlocal_gates() for isa_circuit in isa_circuits)})"
)
estimator = Estimator(backend)
estimator.options.environment.job_tags = ["TUT_SNS"]
estimator.options.dynamical_decoupling.enable = True
estimator.options.dynamical_decoupling.sequence_type = "XY4"
estimator.options.twirling.enable_gates = True
estimator.options.twirling.num_randomizations = 1000
estimator.options.twirling.shots_per_randomization = 128
estimator.options.resilience.measure_mitigation = True
estimator.options.resilience.measure_noise_learning.num_randomizations = 32
estimator.options.resilience.measure_noise_learning.shots_per_randomization = 100
pubs = [
(
isa_circuit,
[obs.apply_layout(isa_circuit.layout) for obs in observables],
)
for isa_circuit in isa_circuits
]
job = estimator.run(pubs)
print(f"Job ID: {job.job_id()}")
result = job.result()
# ── Step 4: Post-process ──────────────────────────────────────────────────────
rgf_mat = np.stack([pub_result.data.evs for pub_result in result])
n_points_momentum, n_points_frequency = 100, 100
spectrum = get_dsf(
n_qubits,
rgf_mat,
time_step,
n_steps,
n_points_momentum,
n_points_frequency,
)
plot_rgf(
n_qubits,
rgf_mat,
time_step,
n_steps,
title=f"Retarded Green's function — {n_qubits} qubits (QPU)",
)
plot_dsf(
spectrum,
time_step,
n_points_momentum,
n_points_frequency,
title=rf"KCuF$_3$ DSF — {n_qubits} qubits (QPU)"
"\n(AQC + DD + Pauli twirling + TREX)",
)Output:
Ground-state energy (DMRG): -21.972109
Optimizing ground state ansatz...
Finished optimizing ground state ansatz in 132.2076231740648 seconds.
Ground state ansatz fidelity: 0.645956
Ground state ansatz energy: -21.616744
Built 20 circuits, deepest 2q depth (uniform basis) = 307
Defined 50 Z observables.
Step 2b — target MPS:
k=1: max bond = 44
k=2: max bond = 46
k=3: max bond = 53
k=4: max bond = 62
k=5: max bond = 75
k=6: max bond = 96
k=7: max bond = 118
k=8: max bond = 128
k=9: max bond = 128
k=10: max bond = 128
Step 2c — one-layer ansatz: 2971 parameters, 2q depth (uniform basis) = 39
Step 2c — two-layer ansatz: 3412 parameters, 2q depth (uniform basis) = 45
k=1: fidelity = 1.0000, 2q depth (uniform basis) = 39, 215.6s
k=2: fidelity = 0.9676, 2q depth (uniform basis) = 39, 269.8s
k=3: fidelity = 0.9014, 2q depth (uniform basis) = 39, 293.5s
k=4: fidelity = 0.8755, 2q depth (uniform basis) = 39, 279.6s
k=5: fidelity = 0.8450, 2q depth (uniform basis) = 39, 266.4s
k=6: fidelity = 0.8146, 2q depth (uniform basis) = 39, 371.0s
E0626 02:59:07.229070 1508496 slow_operation_alarm.cc:73]
********************************
[Compiling module jit_MakeArrayFn for CPU] Very slow compile? If you want to file a bug, run with envvar XLA_FLAGS=--xla_dump_to=/tmp/foo and attach the results.
********************************
E0626 02:59:21.713796 1508477 slow_operation_alarm.cc:140] The operation took 2m14.484932074s
********************************
[Compiling module jit_MakeArrayFn for CPU] Very slow compile? If you want to file a bug, run with envvar XLA_FLAGS=--xla_dump_to=/tmp/foo and attach the results.
********************************
k=7: fidelity = 0.7312, 2q depth (uniform basis) = 45, 10865.3s
k=8: fidelity = 0.7720, 2q depth (uniform basis) = 45, 1450.3s
k=9: fidelity = 0.7316, 2q depth (uniform basis) = 45, 3388.6s
E0626 07:21:05.148724 1508496 slow_operation_alarm.cc:73]
********************************
[Compiling module jit_MakeArrayFn for CPU] Very slow compile? If you want to file a bug, run with envvar XLA_FLAGS=--xla_dump_to=/tmp/foo and attach the results.
********************************
E0626 07:21:24.286095 1508477 slow_operation_alarm.cc:140] The operation took 2m19.137566498s
********************************
[Compiling module jit_MakeArrayFn for CPU] Very slow compile? If you want to file a bug, run with envvar XLA_FLAGS=--xla_dump_to=/tmp/foo and attach the results.
********************************
k=10: fidelity = 0.6726, 2q depth (uniform basis) = 45, 3396.1s
Step 2d — assembled 20 circuits
At step 20 (uniform basis): Trotter 2q depth = 307, AQC+Trotter 2q depth = 171; 2q gates: Trotter = 3775, AQC+Trotter = 1913
Backend: ibm_fez
Transpiled 2q depth (deepest, ISA on ibm_fez): 105 (2q gates: 2574)
Job ID: d8v39vhropqc738biotg
Os resultados do hardware reproduzem as principais características do continuum de dois spinons: a intensidade de espalhamento concentra-se próximo ao vetor de onda antiferromagnético em baixas energias e é limitada por baixo pela dispersão sinusoidal dos spinons, com um amplo continuum de peso espectral acima dela, em vez de um único modo bem definido. Essa é a mesma estrutura medida por espalhamento inelástico de nêutrons em um KCuF, e ela valida todo o fluxo de trabalho — desde a preparação do estado fundamental, passando pela perturbação, pela evolução de Trotter comprimida por AQC, até a medição com mitigação de erros — na escala de 50 qubits.
Próximas etapas
Se você achou este trabalho interessante, talvez se interesse pelo material a seguir:
- Simulação da dispersão de nêutrons com um fluxo de trabalho sem servidor (serverless) baseado em AQC + dinâmica de Trotter — um tutorial complementar que executa esse mesmo experimento por meio de um modelo de função do Qiskit Serverless já implantado
- Lee et al., "Avaliação comparativa da simulação quântica com experimentos de espalhamento de nêutrons" ( arXiv:2603.15608 ) — o artigo de referência no qual este tutorial se baseia
- Técnicas de mitigação e supressão de erros — DD, Pauli twirling e TREX utilizadas nos experimentos com hardware
- Compilação quântica aproximada para circuitos de evolução temporal — tutorial sobre o AQC-Tensor
- Documentação do AQC-Tensor