随机线路生成

随机线路生成和量子基准测试工具的 API 参考。

random_qcircuit

生成具有指定量子比特、深度和门类型的随机量子线路。

签名

random_qcircuit(qubits: list[int], depth: int, gate_type: list[str]) -> QCircuit
random_qcircuit(qubits: list[int], depth: int, gate_type: list[str], topology: list[list[int]]) -> QCircuit

参数

参数	类型	说明
qubits	list[int]	线路中包含的量子比特索引列表
depth	int	线路的深度（门层数）
gate_type	list[str]	用于生成的门类型字符串列表，例如 ["H", "CNOT"]
topology	list[list[int]]	可选的芯片耦合边列表，格式同 ChipInfo.get_chip_topology()，例如 [[0, 1], [1, 2]]。每个双比特门只会落在这些边上；边引用 qubits 之外的比特时抛 ValueError。

返回

QCircuit — 随机生成的量子线路。

示例

from pyqpanda3.core import random_qcircuit

# Generate a random circuit on qubits [0, 1, 2] with depth 5 using H and CNOT gates
circ = random_qcircuit([0, 1, 2], 5, ["H", "CNOT"])
print(f"Circuit depth: {circ.depth()}")
print(f"Gate count: {circ.count_ops()}")

示例输出（由于 random_qcircuit 不接受随机种子，每次运行的门计数可能不同）：

Circuit depth: 5
Gate count: {'H': 2, 'CNOT': 4}

random_qprog

生成具有指定量子比特、深度、门类型和可选拓扑约束的随机量子程序。

签名

random_qprog(qubits: list[int], depth: int, gate_type: list[str]) -> QProg
random_qprog(qubits: list[int], depth: int, gate_type: list[str], topology: list[list[int]]) -> QProg

参数

参数	类型	说明
qubits	list[int]	程序中包含的量子比特索引列表
depth	int	程序的深度（门层数）
gate_type	list[str]	用于生成的门类型字符串列表，例如 ["H", "CNOT"]
topology	list[list[int]]	可选的芯片耦合边列表，格式同 ChipInfo.get_chip_topology()，例如 [[0, 1], [1, 2]]。每个双比特门只会落在这些边上；边引用 qubits 之外的比特时抛 ValueError。

返回

QProg — 随机生成的量子程序。

示例

from pyqpanda3.core import random_qcircuit, random_qprog

topology = [[0, 1], [1, 2]]
circ = random_qcircuit([0, 1, 2], 5, ["H", "CNOT"], topology)
prog = random_qprog([0, 1, 2], 5, ["H", "CNOT"], topology)
print(circ.gate_operations())
print(prog.gate_operations())

NOTE

topology 参数自 0.5.1 起提供；本示例未在本机执行（当前环境没有 0.5.1 wheel）。

QV — 量子体积基准测试

生成给定配置的量子体积（QV, Quantum Volume）基准测试线路。

签名

QV(num_qubit: int, depth: int, seed: int) -> QCircuit

参数

参数	类型	说明
num_qubit	int	QV 测试的量子比特数
depth	int	线路的深度（层数）
seed	int	用于可重复性的随机种子

返回

QCircuit — 量子体积基准测试线路。

示例

from pyqpanda3.core import QV

# Compute quantum volume for a 4-qubit, depth-4 circuit
qv = QV(num_qubit=4, depth=4, seed=42)
print(f"Quantum Volume: {qv}")

运行结果：

Quantum Volume: 
          ┌──────────┐ ┌──────────┐ ┌──────────┐ ┌──────────┐                                        
q_0:  |0>─┤1         ├ ┤0         ├ ┤0         ├ ┤0         ├ ──────────── ──────────── ──────────── 
          │          │ │  ORACLE  │ │          │ │          │ ┌──────────┐              ┌──────────┐ 
q_1:  |0>─┤          ├ ┤1         ├ ┤  ORACLE  ├ ┤          ├ ┤0         ├ ──────────── ┤1         ├ 
          │  ORACLE  │ ├──────────┤ │          │ │  ORACLE  │ │  ORACLE  │ ┌──────────┐ │          │ 
q_2:  |0>─┤          ├ ┤1         ├ ┤1         ├ ┤          ├ ┤1         ├ ┤1         ├ ┤  ORACLE  ├ 
          │          │ │  ORACLE  │ └──────────┘ │          │ └──────────┘ │  ORACLE  │ │          │ 
q_3:  |0>─┤0         ├ ┤0         ├ ──────────── ┤1         ├ ──────────── ┤0         ├ ┤0         ├ 
          └──────────┘ └──────────┘              └──────────┘              └──────────┘ └──────────┘ 
 c :   / ═══════════════════════════════════════════════════════════════════════

数学背景

量子体积是一个单一数值指标，用于衡量量子处理器的整体能力。它考虑了量子比特数、门保真度、连接性和软件性能。QV 协议运行宽度为 $n$、深度为 $d=n$ 的随机线路，检查重输出概率是否超过 $2/3$。

$$QV=2^{min(n,d)}$$

其中 $n$ 是重输出测试通过的最大量子比特数。

direct_twirl

对量子程序执行直接旋转（随机编译），将其分解为随机泡利帧序列。

签名

direct_twirl(
    input_circ: QProg,
    twirled_gate: str,
    seed: int
) -> QProg

参数

参数	类型	说明
input_circ	QProg	要旋转的输入量子程序
twirled_gate	str	用于旋转的门类型。支持："CNOT"、"CZ"
seed	int	用于可重复性的随机种子。自 0.5.0 起所有种子值（含小于 8000 的值）都会产生不同的 twirl，相同种子复现相同程序

返回

QProg — 旋转后的量子程序。

示例

from pyqpanda3.core import H, CNOT, direct_twirl, QProg

# Build a simple program
prog = QProg()
prog << H(0) << CNOT(0, 1)

# Apply direct twirling
twirled = direct_twirl(prog, "CNOT", 42)
print(f"Original gates: {prog.count_ops()}")
print(f"Twirled gates: {twirled.count_ops()}")

运行结果：

Original gates: {'CNOT': 1, 'H': 1}
Twirled gates: {'CNOT': 1, 'H': 1, 'Z': 1, 'I': 1, 'Y': 2}

数学背景

旋转通过用随机泡利算符共轭将一般量子信道转换为泡利信道。对于信道 $\mathcal{E}$：

$${\mathcal{E}}_T(\rho )=\frac{1}{4^n}\sum _{P\in \{I,X,Y,Z{\}}^n}P\mathcal{E}(P\rho P)P$$

这简化了错误表征并支持错误缓解技术。

另见

• 线路 — QCircuit 类
• 程序 — QProg 类
• 量子门 — GateType 枚举
• 模拟器 — 量子模拟器