噪声 -- NoiseModel, QuantumError, NoiseOpType

pyqpanda3 中噪声建模的 API 参考。噪声框架通过在量子操作上应用错误信道来模拟真实的量子硬件。

NoiseModel

管理模拟期间应用的量子错误和读出错误的集合。

签名

class NoiseModel:
    def __init__() -> None

方法

NoiseModel.is_enabled

is_enabled() -> bool

检查噪声模型是否包含任何错误。

NoiseModel.copy / copy / deepcopy

copy() -> NoiseModel

0.5.0 新增：copy() 返回独立的浅拷贝，且模型实现了 copy 与 deepcopy 协议，copy.copy(model) 与 copy.deepcopy(model) 均按预期工作。

import copy
from pyqpanda3.core import NoiseModel

model = NoiseModel()
model.add_read_out_error([[0.9, 0.1], [0.2, 0.8]], 0)

duplicate = copy.deepcopy(model)
snapshot = model.copy()
print(duplicate is not model, snapshot is not model)

运行结果：

True True

约定（0.5.0）：Kraus 算符矩阵为行主序、读出矩阵按 M[true][measured] 索引、量子误差作用于其所附着指令之后、按量子比特的局部误差覆盖默认误差而非与之复合。

NoiseModel.add_read_out_error

add_read_out_error(probs: list[list[float]], qubit: int) -> None

参数	类型	说明
probs	list[list[float]]	混淆矩阵 M 按 M[true][measured] 索引（0.5.0 起）：元素 [i][j] 为真实状态为 i 时记录到结果 j 的概率，即行索引为真实态、列索引为测量结果。
qubit	int	应用读出错误的量子比特索引

NoiseModel.add_all_qubit_read_out_error

add_all_qubit_read_out_error(probs: list[list[float]]) -> None

参数	类型	说明
probs	list[list[float]]	混淆矩阵 M 按 M[true][measured] 索引（0.5.0 起）：元素 [i][j] 为真实状态为 i 时记录到结果 j 的概率，即行索引为真实态、列索引为测量结果。

NoiseModel.add_quantum_error（指定量子比特）

add_quantum_error(error: QuantumError, gate_type: GateType, qubits: list[int]) -> None
add_quantum_error(error: QuantumError, gate_types: list[GateType], qubits: list[int]) -> None

参数	类型	说明
error	QuantumError	要添加的量子错误
gate_type(s)	GateType 或 list[GateType]	应用错误的门类型
qubits	list[int]	应用错误的量子比特索引

NoiseModel.add_all_qubit_quantum_error

add_all_qubit_quantum_error(error: QuantumError, gate_type: GateType) -> None
add_all_qubit_quantum_error(error: QuantumError, gate_types: list[GateType]) -> None

参数	类型	说明
error	QuantumError	要添加的量子错误
gate_type(s)	GateType 或 list[GateType]	应用错误的门类型

示例

from pyqpanda3.core import (
    NoiseModel, GateType,
    pauli_x_error, depolarizing_error,
    CPUQVM, QProg, H, CNOT, measure
)

# 创建噪声模型
model = NoiseModel()

# 向所有 H 门添加单量子比特去极化噪声
model.add_all_qubit_quantum_error(depolarizing_error(0.01), GateType.H)

# 向所有 CNOT 门添加双量子比特泡利-X 噪声
model.add_all_qubit_quantum_error(pauli_x_error(0.02), GateType.CNOT)

# 含噪声运行
qvm = CPUQVM()
prog = QProg()
prog << H(0) << CNOT(0, 1) << measure(0, 0) << measure(1, 1)
qvm.run(prog, 1000, model)
print(qvm.result().get_counts())

运行结果（示例输出，每次运行结果不同）：

{'01': 18, '00': 481, '10': 18, '11': 483}

QuantumError

表示量子错误信道，可以通过 Kraus 矩阵或泡利错误概率指定。

签名

class QuantumError:
    def __init__() -> None
    def __init__(karus_matrices: list[list[complex]]) -> None
    def __init__(probabilities: dict[str, float]) -> None

参数	类型	说明
karus_matrices	list[list[complex]]	Kraus 矩阵。每个内部列表是一个展平的（按行主序）矩阵，例如 2x2 Kraus 算符变为 [a, b, c, d]
probabilities	dict[str, float]	泡利错误标签和概率（例如 {"X": 0.01}）

方法

QuantumError.tensor

tensor(quantum_error: QuantumError) -> QuantumError

参数	类型	说明
quantum_error	QuantumError	要进行张量积操作的量子错误

与另一个量子错误进行张量积操作。

QuantumError.expand

expand(quantum_error: QuantumError) -> QuantumError

参数	类型	说明
quantum_error	QuantumError	要扩展的量子错误

将错误扩展到更大的量子比特系统。

QuantumError.compose

compose(quantum_error: QuantumError) -> QuantumError

参数	类型	说明
quantum_error	QuantumError	要组合的量子错误

将错误与另一个量子错误组合。

QuantumError.qubit_num

qubit_num() -> int

错误影响的量子比特数。

QuantumError.error_type

error_type() -> NoiseOpType

错误表示的类型（Kraus 矩阵或噪声线路）。

QuantumError.error_circuit

error_circuit(qubits: list[int]) -> QCircuit

参数	类型	说明
qubits	list[int]	应用错误线路的量子比特索引

错误的线路表示。

QuantumError.error_karus

error_karus(qubits: list[int]) -> Karus

参数	类型	说明
qubits	list[int]	获取 Kraus 矩阵的量子比特索引

错误的 Kraus 矩阵表示。返回的 Karus 对象是一个 C++ 类型，在 Python 端的互操作性有限。注意：此方法对 KARUS_MATRIICES 类型（通过 Kraus 矩阵创建）的错误能正确工作，但对 NOISE 类型（通过泡利概率或工厂函数如 depolarizing_error 创建）的错误会导致挂起。

Karus

Karus 封装了一组 Kraus 算符及其作用的量子比特，用于噪声信道表示。用户通常通过 QuantumError.error_karus(qubits) 获取该对象，也可以直接构造。

签名

class Karus:
    def __init__(qubits: list[int], matrices: list[list[complex]])
    def remap(remap_qubits: list[int]) -> Karus
    def remap(remap_qubits: dict[int, int]) -> Karus
    def qubits() -> list[int]
    def karus_matrices() -> list[list[complex]]

Karus.init

Karus(qubits: list[int], matrices: list[list[complex]])

从显式的量子比特索引和 Kraus 矩阵列表构造 Kraus 信道。

参数

参数	类型	说明
qubits	list[int]	信道作用的物理量子比特索引。
matrices	list[list[complex]]	展平的 Kraus 算符列表。每个内部列表是一个按行主序展平的矩阵，对于 n 量子比特信道，长度为 4^n。

Karus.remap（按列表）

Karus.remap(remap_qubits: list[int]) -> Karus

使用索引表重映射此 Kraus 信道的量子比特。当前量子比特索引 i 被替换为 remap_qubits[i]。

参数

参数	类型	说明
remap_qubits	list[int]	旧量子比特索引到新索引的映射表。

返回

重映射后自身的引用。

Karus.remap（按字典）

Karus.remap(remap_qubits: dict[int, int]) -> Karus

使用字典重映射此 Kraus 信道的量子比特。字典中未出现的量子比特保持不变。

参数

参数	类型	说明
remap_qubits	dict[int, int]	旧量子比特索引到新索引的映射字典。

返回

重映射后自身的引用。

Karus.qubits

Karus.qubits() -> list[int]

返回此 Kraus 信道作用的量子比特索引。

返回

与 Kraus 矩阵关联的量子比特索引列表。

Karus.karus_matrices

Karus.karus_matrices() -> list[list[complex]]

返回展平的 Kraus 矩阵。

返回

此信道存储的展平 Kraus 矩阵列表。

示例

from pyqpanda3.core import Karus, QuantumError, depolarizing_error

# 直接构造
k = Karus([0], [[1+0j, 0j, 0j, 1+0j]])
print(k.qubits())            # [0]
print(len(k.karus_matrices()))  # 1

# 通过 QuantumError 获取
err = depolarizing_error(0.01)
k2 = err.error_karus([2])
print(k2.qubits())           # [2]

# 重映射量子比特
k2.remap({2: 5})
print(k2.qubits())           # [5]

NoiseOpType

噪声操作表示类型的枚举。

值	说明
KARUS_MATRIICES	通过 Kraus 矩阵表示的错误
NOISE	通过噪声线路表示的错误

错误工厂函数

pauli_x_error

pauli_x_error(prob: float) -> QuantumError

参数	类型	说明
prob	float	泡利-X 错误的概率

创建单量子比特泡利-X（比特翻转）错误信道。以概率 $p$ 应用 $X$ 门。

$$\mathcal{E}(\rho )=(1-p)\rho +pX\rho X$$

pauli_y_error

pauli_y_error(prob: float) -> QuantumError

创建泡利-Y（比特相位翻转）错误信道。

$$\mathcal{E}(\rho )=(1-p)\rho +pY\rho Y$$

pauli_z_error

pauli_z_error(prob: float) -> QuantumError

创建泡利-Z（相位翻转）错误信道。

$$\mathcal{E}(\rho )=(1-p)\rho +pZ\rho Z$$

depolarizing_error

depolarizing_error(prob: float) -> QuantumError

创建去极化错误信道。以概率 $p$ 将状态替换为最大混合态 $I/2$。

$$\mathcal{E}(\rho )=(1-p)\rho +p\frac{I}{2}$$

amplitude_damping_error

amplitude_damping_error(prob: float) -> QuantumError

创建振幅阻尼（T1 弛豫）错误信道，模拟能量耗散。

$$\mathcal{E}(\rho )=E_0\rho E_0^{†}+E_1\rho E_1^{†}$$

其中 $E_0=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& \sqrt{1-\gamma }\end{array}\right]$，$E_1=\left[\begin{array}{cc}0& \sqrt{\gamma }\\ 0& 0\end{array}\right]$。

phase_damping_error

phase_damping_error(prob: float) -> QuantumError

创建相位阻尼（T2 去相位）错误信道，模拟相位相干性的损失。

$$\mathcal{E}(\rho )=\left[\begin{array}{cc}{\rho }_{00}& (1-\lambda ){\rho }_{01}\\ (1-\lambda ){\rho }_{10}& {\rho }_{11}\end{array}\right]$$

decoherence_error

decoherence_error(T1: float, T2: float, time_param: float) -> QuantumError

参数	类型	说明
T1	float	T1（振幅阻尼）弛豫时间
T2	float	T2（相位阻尼）去相位时间
time_param	float	门操作时间

创建组合退相干错误，同时模拟 T1（振幅阻尼）和 T2（相位阻尼）过程。

另见

• 模拟器 -- 含噪声量子模拟器
• 枚举 -- 用于指定门类型的 GateType
• 线路 -- QCircuit 和 QProg