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IBM Quantum Platform

ユーティリティ規模の実験II

Note

川島幸夫（2024年7月12日）

講演の原文の PDFをダウンロードする。 これらは静的画像なので、いくつかのコード・スニペットは非推奨になるかもしれないことに注意してください。

この実験にかかるQPUのおおよその時間は2m30秒である。

(このノートブックは、Qiskit Algorithmsのチュートリアルノートブック( 現在は廃止)のテキスト、図解、コードを使用していることに注意)

1. 導入と時間発展の概観

このノートブックは、レッスン7のメソッドとテクニックを踏襲している。 我々の目標は、時間依存のシュレーディンガー方程式を数値的に解くことである。 レッスン7で説明したように、トロッター化とは、ある時間スライスにおける系の時間発展を近似するために選択された量子ゲートを連続的に適用することである。 ここでは便宜上、その議論を繰り返す。 最近レッスン7を復習された方は、以下のコード・セルまで読み飛ばしてください。

シュレーディンガー方程式に従うと、初期状態（ ∣ψ(0)⟩\vert\psi(0)\rangle ）にある系の時間発展は次のようになる：

∣ψ(t)⟩=e−iHt∣ψ(0)⟩,\vert \psi(t) \rangle = e^{-i H t} \vert \psi(0) \rangle \text{,}

ここで、 HH は系を支配する時間非依存ハミルトニアンである。 H=∑jajPjH=\sum_j a_j P_j PjP_j は の量子ビットに作用するパウリ項のテンソル積を表す。 nn 特に、これらのパウリ項は互いに交換するかもしれないし、交換しないかもしれない。 ある時刻（ t=0t=0 ）の状態が与えられたとき、量子コンピュータを使って、後の時刻（ ∣ψ(t)⟩|\psi(t)\rangle ）のシステムの状態をどのように求めるか？ 演算子の指数は、そのテイラー級数を通して最も簡単に理解することができる：

e−iHt=1−iHt−12H2t2+...e^{-i H t} = 1-iHt-\frac{1}{2}H^2t^2+...

eiZe^{iZ} のような非常に基本的な指数関数は、コンパクトな量子ゲートのセットを使って量子コンピュータで簡単に実装できる。 関心のあるハミルトニアンのほとんどは、単一の項を持つのではなく、多くの項を持つ。 H=H1+H2H = H_1+H_2 ：

e−iHt=1−i(H1+H2)t−12(H1+H2)2t2+...e^{-i H t} = 1-i(H_1+H_2)t-\frac{1}{2}(H_1+H_2)^2t^2+...

H1H_1 と H2H_2 が交わる場合、おなじみのケースになる（これは数字にも当てはまり、以下の変数 aa と bb にも当てはまる）：

e−i(a+b)t=e−iate−ibte^{-i (a+b) t} = e^{-i a t}e^{-i b t}

しかし、演算子が交わらない場合、テイラー級数で項を並べ替えてこのように単純化することはできない。 このように、複雑なハミルトニアンを量子ゲートで表現することは難しい。

一つの解決策は、テイラー展開の一次項が支配的になるような、非常に小さな時間 tt を考慮することである。 その仮定の下で：

e−i(H1+H2)t≈1−i(H1+H2)t≈(1−iH1t)(1−iH2t)≈e−iH1te−iH2te^{-i (H_1+H_2) t} \approx 1-i(H_1+H_2)t \approx (1-i H_1 t)(1-i H_2 t) \approx e^{-i H_1 t}e^{-i H_2 t}

もちろん、もっと長い間、状態を進化させる必要があるかもしれない。 それは、このような小さなステップを何度も重ねることで達成される。 このプロセスはトロッター化と呼ばれる：

∣ψ(t)⟩≈(∏je−iajPjt/r)r∣ψ(0)⟩,\vert \psi(t) \rangle \approx \left(\prod_j e^{-i a_j P_j t/r} \right)^r \vert\psi(0) \rangle \text{,}

ここで、 t/rt/r は、選択するタイムスライス（進化ステップ）である。 その結果、 rr。 タイムステップが小さいほど、より正確な近似につながる。 しかし、これは回路を深くすることにもつながり、実際には、より多くのエラー蓄積（近い将来の量子デバイスでは無視できない懸念）につながる。

今日は、 N=2N=2 と N=6N=6 サイトの線形格子におけるイジング模型の時間発展について研究する。 これらの格子は、最も近い隣人とだけ相互作用するスピン（ σi\sigma_i ）の配列で構成されている。 これらのスピンは、 ↑\uparrow と ↓\downarrow の2つの向きを持つことができ、それぞれ +1+1 と −1-1 の磁化に対応する。

H=−J∑i=0N−2ZiZi+1−h∑i=0N−1Xi,H = - J \sum_{i=0}^{N-2} Z_i Z_{i+1} - h \sum_{i=0}^{N-1} X_i \text{,}

ここで、 JJ は相互作用エネルギーを表し、 hh は外場（上記ではx方向だが、ここではこれを修正する）の大きさを表す。 パウリ行列を使ってこの式を書き、外場が横方向に対して角度 α\alpha を持つことを考えよう、

H=−J∑i=0N−2ZiZi+1−h∑i=0N−1(sin⁡αZi+cos⁡αXi).H = -J \sum_{i=0}^{N-2} Z_i Z_{i+1} -h \sum_{i=0}^{N-1} (\sin\alpha Z_i + \cos\alpha X_i) \text{.}

このハミルトニアンは、外場の影響を簡単に研究できるという点で有用である。 計算基礎では、システムは以下のように符号化される：

量子状態
スピン表現
∣0000⟩\lvert 0 0 0 0 \rangle↑↑↑↑\uparrow\uparrow\uparrow\uparrow
∣1000⟩\lvert 1 0 0 0 \rangle↓↑↑↑\downarrow\uparrow\uparrow\uparrow
…\ldots…\ldots
∣1111⟩\lvert 1 1 1 1 \rangle↓↓↓↓\downarrow\downarrow\downarrow\downarrow

このような量子系の時間発展について調査を開始する。 より具体的には、磁化のような系の特定の特性の時間発展を可視化する。

# Check the version of Qiskit
import qiskit

qiskit.__version__

Output:

'2.0.2'

# Import the qiskit library

import numpy as np
import warnings

from qiskit import QuantumCircuit, QuantumRegister
from qiskit.circuit.library import PauliEvolutionGate
from qiskit.quantum_info import SparsePauliOp
from qiskit.synthesis import LieTrotter
from qiskit.transpiler.preset_passmanagers import generate_preset_pass_manager

from qiskit_aer import AerSimulator
from qiskit_ibm_runtime import QiskitRuntimeService, Estimator

warnings.filterwarnings("ignore")

2. 横磁場イジングハミルトニアンの定義

ここでは、1次元横磁場イジング模型を考える。

まず、システムパラメーター NN、 JJ、 hh を受け取り、ハミルトニアンを SparsePauliOp として返す関数を作成します。 A SparsePauliOp は、加重パウリ項による演算子のスパース表現である。

2.1 アクティビティ1

量子ビット数"、"Jパラメータ"、"hパラメータ "を引数として、横場イジング・ハミルトニアン（上式参照）を構築する関数を構築する。 これまでの例を使って、自分でやってみよう。 解決策は下にスクロールしてください。

解決策：

def get_hamiltonian(nqubits, J, h):
    # List of Hamiltonian terms as 3-tuples containing
    # (1) the Pauli string,
    # (2) the qubit indices corresponding to the Pauli string,
    # (3) the coefficient.
    ZZ_tuples = [("ZZ", [i, i + 1], -J) for i in range(0, nqubits - 1)]
    X_tuples = [("X", [i], -h) for i in range(0, nqubits)]

    # We create the Hamiltonian as a SparsePauliOp, via the method
    # `from_sparse_list`, and multiply by the interaction term.
    hamiltonian = SparsePauliOp.from_sparse_list(
        [*ZZ_tuples, *X_tuples], num_qubits=nqubits
    )
    return hamiltonian.simplify()

磁化を追跡しながら、量子系の時間発展を調べ始める。 ここでは、StatevectorとMatrix Product Stateシミュレータの結果を比較する。

ハミルトニアンを定義する

ここで考えるシステムのサイズは N=20N=20 である。

n_qubits = 20
hamiltonian = get_hamiltonian(nqubits=n_qubits, J=1.0, h=-5.0)
hamiltonian

Output:

SparsePauliOp(['IIIIIIIIIIIIIIIIIIZZ', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIZZI', 'IIIIIIIIIIIIIIIIZZII', 'IIIIIIIIIIIIIIIZZIII', 'IIIIIIIIIIIIIIZZIIII', 'IIIIIIIIIIIIIZZIIIII', 'IIIIIIIIIIIIZZIIIIII', 'IIIIIIIIIIIZZIIIIIII', 'IIIIIIIIIIZZIIIIIIII', 'IIIIIIIIIZZIIIIIIIII', 'IIIIIIIIZZIIIIIIIIII', 'IIIIIIIZZIIIIIIIIIII', 'IIIIIIZZIIIIIIIIIIII', 'IIIIIZZIIIIIIIIIIIII', 'IIIIZZIIIIIIIIIIIIII', 'IIIZZIIIIIIIIIIIIIII', 'IIZZIIIIIIIIIIIIIIII', 'IZZIIIIIIIIIIIIIIIII', 'ZZIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIX', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIXI', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIXII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIXIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIXIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIXIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIXIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIXIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIXIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIXIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIXIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIXIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIXIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIXIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIXIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIXIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIXIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIXIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IXIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'XIIIIIIIIIIIIIIIIIII'],
              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,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,
  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,
  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j])

時間発展シミュレーションのパラメータを設定する

ここでは、リー・トロッター（一次）について考える。

num_timesteps = 20
evolution_time = 2.0
dt = evolution_time / num_timesteps
product_formula_lt = LieTrotter()

量子回路を準備する（初期状態）

初期状態を作成する。 我々は、強磁性状態（オールアップまたはオールダウン）である基底状態から始める。 ここでは、オールアップ（すべて「0」）を例にしている。

initial_circuit = QuantumCircuit(n_qubits)
initial_circuit.prepare_state("00000000000000000000")
# Change reps and see the difference when you decompose the circuit
initial_circuit.decompose(reps=1).draw("mpl")

Output:

Output of the previous code cell

量子回路2（時間発展用単一回路）を準備する

ここでは、Lie-Trotterを使って1つの時間ステップの回路を構成する。 リー積の公式（一次）は LieTrotter クラスに実装されています。 一次式は、冒頭で述べた近似式で構成され、和の行列指数関数が行列指数関数の積で近似される：

eH1+H2≈eH1eH2e^{H_1+H_2} \approx e^{H_1} e^{H_2}

この回路の動作を数えてみよう。

single_step_evolution_gates_lt = PauliEvolutionGate(
    hamiltonian, dt, synthesis=product_formula_lt
)
single_step_evolution_lt = QuantumCircuit(n_qubits)
single_step_evolution_lt.append(
    single_step_evolution_gates_lt, single_step_evolution_lt.qubits
)

print(
    f"""
Trotter step with Lie-Trotter
-----------------------------
Depth: {single_step_evolution_lt.decompose(reps=3).depth()}
Gate count: {len(single_step_evolution_lt.decompose(reps=3))}
Nonlocal gate count: {single_step_evolution_lt.decompose(reps=3).num_nonlocal_gates()}
Gate breakdown: {", ".join([f"{k.upper()}: {v}" for k, v in single_step_evolution_lt.decompose(reps=3).count_ops().items()])}
"""
)
single_step_evolution_lt.decompose(reps=3).draw("mpl", fold=-1)

Output:


Trotter step with Lie-Trotter
-----------------------------
Depth: 58
Gate count: 77
Nonlocal gate count: 38
Gate breakdown: CX: 38, U3: 20, U1: 19
Output of the previous code cell

測定対象の演算子を設定する

磁化演算子 ∑iZi/N\sum_i Z_i / N を定義しよう。

magnetization = (
    SparsePauliOp.from_sparse_list(
        [("Z", [i], 1.0) for i in range(0, n_qubits)], num_qubits=n_qubits
    )
    / n_qubits
)
print("magnetization : ", magnetization)

Output:

magnetization :  SparsePauliOp(['IIIIIIIIIIIIIIIIIIIZ', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIZI', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIZII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIZIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIZIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIZIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIZIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIZIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIZIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIZIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIZIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIZIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIZIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIZIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIZIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIZIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIZIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIZIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IZIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'ZIIIIIIIIIIIIIIIIIII'],
              coeffs=[0.05+0.j, 0.05+0.j, 0.05+0.j, 0.05+0.j, 0.05+0.j, 0.05+0.j, 0.05+0.j,
 0.05+0.j, 0.05+0.j, 0.05+0.j, 0.05+0.j, 0.05+0.j, 0.05+0.j, 0.05+0.j,
 0.05+0.j, 0.05+0.j, 0.05+0.j, 0.05+0.j, 0.05+0.j, 0.05+0.j])

時間発展シミュレーションを実行する

磁化（磁化作用素の期待値）をモニターする。 StatevectorとMPSのシミュレーターを使い、結果を比較する。

# Step 1. Map the problem
# Initiate the circuit
evolved_state = QuantumCircuit(initial_circuit.num_qubits)
# Start from the initial spin configuration
evolved_state.append(initial_circuit, evolved_state.qubits)

# Define backend (simulator)
# MPS
backend_mps = AerSimulator(method="matrix_product_state")
# Statevector
backend_sv = AerSimulator(method="statevector")

# Set Runtime Estimator
# MPS
estimator_mps = Estimator(mode=backend_mps)
# Statevector
estimator_sv = Estimator(mode=backend_sv)

# Step 2. Optimize
# Set pass manager
# MPS
pm_mps = generate_preset_pass_manager(optimization_level=3, backend=backend_mps)
# Statevector
pm_sv = generate_preset_pass_manager(optimization_level=3, backend=backend_sv)

# Transpile initial circuit
# MPS
evolved_state_mps = pm_mps.run(evolved_state)
# Statevector
evolved_state_sv = pm_sv.run(evolved_state)

# Apply layout to the operator
# MPS
magnetization_mps = magnetization.apply_layout(evolved_state_mps.layout)
# Statevector
magnetization_sv = magnetization.apply_layout(evolved_state_sv.layout)

mag_mps_list = []
mag_sv_list = []

# Step 3. Run the circuit
# Estimate expectation values for t=0.0: MPS
job = estimator_mps.run([(evolved_state_mps, [magnetization_mps])])
# Get estimated expectation values: MPS
evs = job.result()[0].data.evs
# Collect data: MPS
mag_mps_list.append(evs[0])

# Estimate expectation values for t=0.0: Statevector
job = estimator_sv.run([(evolved_state_sv, [magnetization_sv])])
# Get estimated expectation values: Statevector
evs = job.result()[0].data.evs
# Collect data: Statevector
mag_sv_list.append(evs[0])

# Start time evolution
for n in range(num_timesteps):
    # Step 1. Map the problem
    # Expand the circuit to describe delta-t
    evolved_state.append(single_step_evolution_lt, evolved_state.qubits)
    # Step 2. Optimize
    # Transpile the circuit: MPS
    evolved_state_mps = pm_mps.run(evolved_state)
    # Apply the physical layout of the qubits to the operator: MPS
    magnetization_mps = magnetization.apply_layout(evolved_state_mps.layout)
    # Step 3. Run the circuit
    # Estimate expectation values at delta-t: MPS
    job = estimator_mps.run([(evolved_state_mps, [magnetization_mps])])
    # Get estimated expectation values: MPS
    evs = job.result()[0].data.evs
    # Collect data: MPS
    mag_mps_list.append(evs[0])

    # Step 2. Optimize
    # Transpile the circuit: Statevector
    evolved_state_sv = pm_sv.run(evolved_state)
    # Apply the physical layout of the qubits to the operator: Statevector
    magnetization_sv = magnetization.apply_layout(evolved_state_sv.layout)
    # Step 3. Run the circuit
    # Estimate expectation values at delta-t: Statevector
    job = estimator_sv.run([(evolved_state_sv, [magnetization_sv])])
    # Get estimated expectation values: Statevector
    evs = job.result()[0].data.evs
    # Collect data: Statevector
    mag_sv_list.append(evs[0])

# Transform the list of expectation values (at each time step) to arrays
mag_mps_array = np.array(mag_mps_list)
mag_sv_array = np.array(mag_sv_list)

観測量の時間発展をプロットする

測定した期待値を時間に対してプロットしてみた。 状態ベクトル空間シミュレータと行列積空間シミュレータの結果が一致することを確認する。

import matplotlib.pyplot as plt

# Step 4. Post-processing
fig, axes = plt.subplots(2, sharex=True)
times = np.linspace(0, evolution_time, num_timesteps + 1)  # includes initial state
axes[0].plot(
    times, mag_mps_array, label="MPS", marker="x", c="darkmagenta", ls="-", lw=0.8
)
axes[1].plot(
    times, mag_sv_array, label="SV", marker="x", c="darkmagenta", ls="-", lw=0.8
)

axes[0].set_ylabel("MPS")
axes[1].set_ylabel("Statevector")
axes[1].set_xlabel("Time")
fig.suptitle("Observable evolution")

Output:

Text(0.5, 0.98, 'Observable evolution')
Output of the previous code cell

量子系の時間発展を、性質を追跡しながら調べ始める。 ここでは、行列積状態シミュレータと実際の量子デバイスの結果を比較する。

2.2 アクティビティ2

ハミルトニアンを定義する

N=70N=70 他の条件は20量子ビットの問題と同じである。 解答は下にスクロールしてください。

解決策：

# Set the number of qubits
n_qubits2 = 70
# Construct the Hamiltonian by calling the function you made in Activity 1
hamiltonian2 = get_hamiltonian(nqubits=n_qubits2, J=1.0, h=-5.0)
hamiltonian2

Output:

SparsePauliOp(['IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZ', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZI', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 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'IIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'ZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIX', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXI', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 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'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'XIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII'],
              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, -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, -1.+0.j, -1.+0.j, -1.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,
  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,
  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,
  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,
  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,
  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,
  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,
  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,
  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j,
  5.+0.j,  5.+0.j,  5.+0.j])

2.3 アクティビティ３

初期状態を作成する。 我々は、強磁性状態（オールアップまたはオールダウン）である基底状態から始める。 ここでは、オールアップ（すべて「0」）を例にしている。 解答は下にスクロールしてください。

解決策：

# Initiate the (quantum)circuit
initial_circuit2 = QuantumCircuit(n_qubits2)
# Use QuantumCircuit.prepare_state() to define the initial state
initial_circuit2.prepare_state(
    "0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000"
)
# Change reps and see the difference when you decompose the circuit
initial_circuit2.decompose(reps=1).draw("mpl")

Output:

Output of the previous code cell

2.4 アクティビティ4

70量子ビット問題のための量子回路2（時間発展用単一回路）を準備する

ここでは、Lie-Trotterを使って1つの時間ステップの回路を構成する。 20量子ビットの場合と同様に、リー積の公式（一次）が LieTrotter クラスに実装される。 ここでも、一次式は上記の近似式で構成される：

eH1+H2≈eH1eH2e^{H_1+H_2} \approx e^{H_1} e^{H_2}

20qubitの場合を例にして、自分で試してみよう。 前回と同様に、この回路の動作を数える。

解決策：

# Construct the gates using PauliEvolutionGate()
single_step_evolution_gates_lt2 = PauliEvolutionGate(
    hamiltonian2, dt, synthesis=LieTrotter()
)
# Initiate the quantum circuit
single_step_evolution_lt2 = QuantumCircuit(n_qubits2)
# Append the gates defined above
single_step_evolution_lt2.append(
    single_step_evolution_gates_lt2, single_step_evolution_lt2.qubits
)

print(
    f"""
Trotter step with Lie-Trotter
-----------------------------
Depth: {single_step_evolution_lt2.decompose(reps=3).depth()}
Gate count: {len(single_step_evolution_lt2.decompose(reps=3))}
Nonlocal gate count: {single_step_evolution_lt2.decompose(reps=3).num_nonlocal_gates()}
Gate breakdown: {", ".join([f"{k.upper()}: {v}" for k, v in single_step_evolution_lt2.decompose(reps=3).count_ops().items()])}
"""
)
single_step_evolution_lt2.decompose(reps=3).draw("mpl", fold=-1)

Output:


Trotter step with Lie-Trotter
-----------------------------
Depth: 208
Gate count: 277
Nonlocal gate count: 138
Gate breakdown: CX: 138, U3: 70, U1: 69
Output of the previous code cell

2.5 アクティビティ5

測定対象の演算子を設定する

20量子ビットの場合と全く同じ磁化作用素を定義します。 ∑iZi/N\sum_i Z_i / N。20量子ビットの解を修正することで、自分で試してみてください。

解決策：

# Define the magnetization operator in SparsePauliOp
magnetization2 = (
    SparsePauliOp.from_sparse_list(
        [("Z", [i], 1.0) for i in range(0, n_qubits2)], num_qubits=n_qubits2
    )
    / n_qubits2
)
print("magnetization : ", magnetization2)

Output:

magnetization :  SparsePauliOp(['IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZ', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZI', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'ZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII'],
              coeffs=[0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j,
 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j,
 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j,
 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j,
 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j,
 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j,
 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j,
 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j,
 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j,
 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j,
 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j,
 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j,
 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j,
 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j,
 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j,
 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j,
 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j,
 0.01428571+0.j, 0.01428571+0.j])

2.6 アクティビティ6

時間発展シミュレーションを実行する

磁化（磁化作用素の期待値）をモニターする。 ハードウェアから計算された結果を比較するための基準値を得るために、MPSシミュレータを使用します。 このチュートリアルでMPSシミュレーターを使ったことがあると思います。 この新しい計算に合うように、必要な場合はその例を修正する。

解決策：

# Step 1. Map the problem
# Initiate the circuit
evolved_state2 = QuantumCircuit(initial_circuit2.num_qubits)
# Start from the initial spin configuration
evolved_state2.append(initial_circuit2, evolved_state2.qubits)
# Define backend (MPs simulator)
backend_mps2 = AerSimulator(method="matrix_product_state")
# Initiate Runtime Estimator
estimator_mps2 = Estimator(mode=backend_mps2)
# Step 2. Optimize
# Initiate pass manager
pm_mps2 = generate_preset_pass_manager(optimization_level=3, backend=backend_mps2)
# Transpile
evolved_state_mps2 = pm_mps2.run(evolved_state2)
# Apply qubit layout to the observable to measure
magnetization_mps2 = magnetization2.apply_layout(evolved_state_mps2.layout)
# Initiate list
mag_mps_list2 = []
# Step 3. Run the circuit
# Estimate expectation values for t=0.0
job = estimator_mps2.run([(evolved_state_mps2, [magnetization_mps2])])
# Get estimated expectation values
evs = job.result()[0].data.evs
# Append to list
mag_mps_list2.append(evs[0])

# Start time evolution
for n in range(num_timesteps):
    # Step 1. Map the problem
    # Expand the circuit to describe delta-t
    evolved_state2.append(single_step_evolution_lt2, evolved_state2.qubits)
    # Step 2. Optimize
    # Transpile the circuit
    evolved_state_mps2 = pm_mps2.run(evolved_state2)
    # Apply the physical layout of the qubits to the operator
    magnetization_mps2 = magnetization2.apply_layout(evolved_state_mps2.layout)
    # Step 3. Run the circuit
    # Estimate expectation values at delta-t
    job = estimator_mps2.run([(evolved_state_mps2, [magnetization_mps2])])
    # Get estimated expectation values
    evs = job.result()[0].data.evs
    # Append to list
    mag_mps_list2.append(evs[0])
# Transform the list of expectation values (at each time step) to arrays
mag_mps_array2 = np.array(mag_mps_list2)

これまでのレッスンと同様に、Qiskitパターンフレームワークを実装します。 ここまでのレッスンでは、問題を説明するための正しい量子回路を作ることに焦点を絞ってきた。 これが事実上のステップ1だ。

ステップ2: 対象ハードウェア向けに最適化

まず、対象となるバックエンドを定義する。

service = QiskitRuntimeService()
backend = service.least_busy(operational=True, simulator=False)
backend.name

Output:

'ibm_kingston'

回路をトランスパイルし、リストにまとめる。 これには数分かかることがあります。

pm_hw = generate_preset_pass_manager(optimization_level=3, backend=backend)
circuit_isa = []
# Step 1. Map the problem
evolved_state_hw = QuantumCircuit(initial_circuit2.num_qubits)
evolved_state_hw.append(initial_circuit2, evolved_state_hw.qubits)
# Step 2. Optimize
circuit_isa.append(pm_hw.run(evolved_state_hw))

for n in range(num_timesteps):
    # Step 1. Map the problem
    evolved_state_hw.append(single_step_evolution_lt2, evolved_state_hw.qubits)
    # Step 2. Optimize
    circuit_isa.append(pm_hw.run(evolved_state_hw))

ステップ3: 対象ハードウェア上で実行する

Runtime Estimatorを定義し、PUBのリストを作成する。 また、測定するオペレーターにもレイアウトを適用しなければならない。

# Step 2. Optimize
estimator_hw = Estimator(mode=backend)
pub_list = []
for circuit in circuit_isa:
    temp = (circuit, magnetization2.apply_layout(circuit.layout))
    pub_list.append(temp)

これでジョブを実行する準備ができた。

job = estimator_hw.run(pub_list)
job_id = job.job_id()
print(job_id)

Output:

d147hfdqf56g0081sxs0

# check job status
job.status()

Output:

'DONE'

ステップ4：結果の後処理

まずは結果を出す。

job = service.job(job_id)
pub_result = job.result()

さて、これらの結果から期待値を抽出しなければならない。

mag_hw_list = []
for res in pub_result:
    evs = res.data.evs
    mag_hw_list.append(evs)

以下、比較のためにこれを使用する。 まず、回路をさらに最適化できるかどうかを見てみよう。

3. 実際の量子コンピュータを用いた解決策 II

Qiskitのパターン・ステップ1に戻り、回路の奥行きを短くできるか見てみよう。

3.1 ステップ1. 問題を量子回路と演算子に写像する

アクティビティ7

時間発展回路を構築する。 これまでのレッスンで得た知識を活かして、回路の深さを浅くしてみよう。

解決策：

# Define J
J = 1.0
# Define h
h = -5.0
# Create instruction for rotation around ZZ:
# Initiate the circuit (use 2 qubits)
Rzz_circ = QuantumCircuit(2)
# Add Rzz gate (do not forget to multiply the angle by 2.0)
Rzz_circ.rzz(-J * dt * 2.0, 0, 1)
# Transform the QuantumCircuit to instruction (QuantumCircuit.to_instruction())
Rzz_instr = Rzz_circ.to_instruction(label="RZZ")

# Create instruction for rotation around X:
# Initiate the circuit (use 1 qubit)
Rx_circ = QuantumCircuit(1)
# Add Rx gate (do not forget to multiply the angle by 2.0)
Rx_circ.rx(-h * dt * 2.0, 0)
# Transform the QuantumCircuit to instruction (QuantumCircuit.to_instruction())
Rx_instr = Rx_circ.to_instruction(label="RX")

# Define the interaction list
interaction_list = [
    [[i, i + 1] for i in range(0, n_qubits2 - 1, 2)],
    [[i, i + 1] for i in range(1, n_qubits2 - 1, 2)],
]  # linear chain

# Define the registers
qr = QuantumRegister(n_qubits2)
# Initiate the circuit
single_step_evolution_sh = QuantumCircuit(qr)
# Construct the Rzz gates
for i, color in enumerate(interaction_list):
    for interaction in color:
        single_step_evolution_sh.append(Rzz_instr, interaction)

# Construct the Rx gates
for i in range(0, n_qubits2):
    single_step_evolution_sh.append(Rx_instr, [i])

print(
    f"""
Trotter step with Lie-Trotter
-----------------------------
Depth: {single_step_evolution_sh.decompose(reps=3).depth()}
Gate count: {len(single_step_evolution_sh.decompose(reps=3))}
Nonlocal gate count: {single_step_evolution_sh.decompose(reps=3).num_nonlocal_gates()}
Gate breakdown: {", ".join([f"{k.upper()}: {v}" for k, v in single_step_evolution_sh.decompose(reps=3).count_ops().items()])}
"""
)

single_step_evolution_sh.decompose(reps=2).draw("mpl")

Output:


Trotter step with Lie-Trotter
-----------------------------
Depth: 7
Gate count: 277
Nonlocal gate count: 138
Gate breakdown: CX: 138, U3: 70, U1: 69
Output of the previous code cell

これは大成功だった。 これで残りのQiskitパターンのステップに進むことができる。

3.2 ステップ2. ターゲット・ハードウェア用に最適化する

回路をトランスパイルし、リストにまとめる。 もう一度言うが、これには数分かかるかもしれない。

pm_hw2 = generate_preset_pass_manager(backend=backend, optimization_level=3)
circuit_isa2 = []
# Step 1. Map the problem
evolved_state_hw2 = QuantumCircuit(initial_circuit2.num_qubits)
evolved_state_hw2.append(initial_circuit2, evolved_state_hw2.qubits)
# Step 2. Optimize
circuit_isa2.append(pm_hw2.run(evolved_state_hw2))
for n in range(num_timesteps):
    # Step 1. Map the problem
    evolved_state_hw2.append(single_step_evolution_sh, evolved_state_hw2.qubits)
    # Step 2. Optimize
    circuit_isa2.append(pm_hw2.run(evolved_state_hw2))

Runtime Estimatorを定義し、PUBのリストを作成する。

estimator_hw2 = Estimator(mode=backend)
pub_list2 = []
for circuit in circuit_isa2:
    temp = (circuit, magnetization2.apply_layout(circuit.layout))
    pub_list2.append(temp)

3.3 ステップ３． ターゲット・ハードウェア上で実行する

ジョブを実行します。

job2 = estimator_hw2.run(pub_list2)
job2_id = job2.job_id()
print(job2_id)

Output:

d147qqeqf56g0081sye0

# check job status
job2.status()

Output:

'DONE'

結果を出す。

job2 = service.job(job2_id)
pub_result2 = job2.result()

3.4 ステップ4. 後処理

結果から期待値を抽出する。

mag_hw_list2 = []
for res in pub_result2:
    evs = res.data.evs
    mag_hw_list2.append(evs)

プロットするために、リストをnumpy配列に変換する。

mag_hw_array = np.array(mag_hw_list)
mag_hw_array2 = np.array(mag_hw_list2)

では、結果をプロットし、ハードウェア（デフォルトと浅い回路）の結果とMPSシミュレータを比較してみよう。 実際のハードウェアの誤差は結果にどう影響するのか？

fig, axes = plt.subplots(3, sharex=True)
times = np.linspace(0, evolution_time, num_timesteps + 1)  # includes initial state
axes[0].plot(
    times, mag_mps_array2, label="MPS", marker="x", c="darkmagenta", ls="-", lw=0.8
)
axes[1].plot(
    times, mag_hw_array, label="HW", marker="x", c="darkmagenta", ls="-", lw=0.8
)
axes[2].plot(
    times, mag_hw_array2, label="HW2", marker="x", c="darkmagenta", ls="-", lw=0.8
)
axes[0].set_ylabel("MPS")
axes[1].set_ylabel("HW")
axes[2].set_ylabel("HW2")
axes[2].set_xlabel("Time")
fig.suptitle("Observable evolution")

Output:

Text(0.5, 0.98, 'Observable evolution')
Output of the previous code cell

おめでとうございます! ユーティリティスケールの量子の旅が一歩前進した。 残されたレッスンは1つだけだ！

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