Ordonarea biților în SDK-ul Qiskit

Versiuni de pachete

Codul de pe această pagină a fost dezvoltat folosind următoarele cerințe. Recomandăm utilizarea acestor versiuni sau a unora mai noi.

qiskit[all]~=2.6.1

Dacă ai un set de $n$ biți (sau qubiți), de obicei vei eticheta fiecare bit $0 \rightarrow n-1$. Diferitele programe software și resurse trebuie să aleagă cum ordonează acești biți atât în memoria calculatorului, cât și atunci când sunt afișați pe ecran.

Convențiile Qiskit

Iată cum ordonează SDK-ul Qiskit biții în diferite scenarii.

Primitive

În mod implicit, Qiskit urmează convenția de ordonare a biților little-endian. Totuși, valoarea implicită pentru BitArray este big (endian), ceea ce provoacă unele diferențe în ieșirea primitivelor, în funcție de dacă primitiva modifică această setare. De exemplu, primitivele Sampler și Estimator din IBM® Quantum Compute Service returnează rezultate big-endian, dar Executor returnează rezultate little-endian.

Circuit-uri cuantice

Clasa QuantumCircuit își stochează qubiții într-o listă (QuantumCircuit.qubits). Indexul unui qubit în această listă definește eticheta qubitului.

# Added by doQumentation — installs the packages this notebook needs if they are missing
import importlib.util

_needed = {"qiskit": "qiskit"}
_missing = [pip for module, pip in _needed.items()
            if importlib.util.find_spec(module) is None]
# One at a time, so a package that fails to install does not block the others
for _pip in _missing:
    %pip install -q {_pip}
if not _missing:
    print("\u2713 All required packages are installed")

from qiskit import QuantumCircuit, QuantumRegister
from qiskit.circuit import Qubit

qc = QuantumCircuit(2)
qc.qubits[0]  # qubit "0"

Qubit(QuantumRegister(2, "q"), 0)

<Qubit register=(2, "q"), index=0>

Diagrame de circuit

Într-o diagramă de circuit, qubitul $0$ este qubitul din partea de sus, iar qubitul $n-1$ este cel din partea de jos. Poți schimba acest lucru cu argumentul reverse_bits al QuantumCircuit.draw (vezi Schimbarea ordonării în Qiskit).

qc.x(1)
qc.draw()

q_0: ─────
     ┌───┐
q_1: ┤ X ├
     └───┘

Numere întregi

Când interpretăm biții ca un număr, bitul $0$ este bitul cel mai puțin semnificativ, iar bitul $n-1$ este cel mai semnificativ. Acest lucru este util la programare, deoarece fiecare bit are valoarea $2^\text{label}$ (eticheta fiind indexul qubitului în QuantumCircuit.qubits). De exemplu, execuția următorului circuit se încheie cu bitul $0$ egal cu 0 și bitul $1$ egal cu 1. Aceasta este interpretată ca numărul întreg zecimal 2 (măsurat cu probabilitatea 1.0).

from qiskit.primitives import StatevectorSampler as Sampler

qc.measure_all()

job = Sampler().run([qc])
result = job.result()
print(f" > Counts: {result[0].data.meas.get_counts()}")

> Counts: {'10': 1024}

Șiruri de caractere

Când afișăm sau interpretăm o listă de biți (sau qubiți) ca un șir de caractere, bitul $n-1$ este bitul din stânga, iar bitul $0$ este bitul din dreapta. Aceasta deoarece de obicei scriem numerele cu cifra cea mai semnificativă în stânga, iar în Qiskit, bitul $n-1$ este interpretat ca bitul cel mai semnificativ.

De exemplu, următoarea celulă definește un Statevector dintr-un șir de stări cu un singur qubit. În acest caz, qubitul $0$ se află în starea $|+\rangle$, iar qubitul $1$ în starea $|0\rangle$.

from qiskit.quantum_info import Statevector

sv = Statevector.from_label("0+")
sv.probabilities_dict()

{np.str_('00'): np.float64(0.4999999999999999),
 np.str_('01'): np.float64(0.4999999999999999)}

Acest lucru creează uneori confuzie la interpretarea unui șir de biți, deoarece s-ar putea să te aștepți ca bitul din stânga să fie bitul $0$, în timp ce de obicei reprezintă bitul $n-1$.

Matrice Statevector

Când se reprezintă un statevector ca o listă de numere complexe (amplitudini), Qiskit ordonează aceste amplitudini astfel încât amplitudinea de la indexul $x$ reprezintă starea bazei computaționale $|x\rangle$.

print(sv[1])  # amplitude of state |01>
print(sv[2])  # amplitude of state |10>

(0.7071067811865475+0j)
0j

Gate-uri

Fiecare poartă din Qiskit poate interpreta o listă de qubiți în felul său, dar porțile controlate urmează de obicei convenția (control, target).

De exemplu, următoarea celulă adaugă o poartă controlled-X unde qubitul $0$ este controlul și qubitul $1$ este ținta.

from qiskit import QuantumCircuit

qc = QuantumCircuit(2)
qc.cx(0, 1)
qc.draw()

q_0: ──■──
     ┌─┴─┐
q_1: ┤ X ├
     └───┘

Urmând toate convențiile Qiskit menționate anterior, această poartă CX efectuează transformarea $|01\rangle \leftrightarrow |11\rangle$, deci are următoarea matrice.

$$\begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & 0 \\ \end{pmatrix}$$

Schimbarea ordonării în Qiskit

Pentru a desena un circuit cu qubiții în ordine inversă (adică qubitul $0$ în partea de jos), folosește argumentul reverse_bits. Aceasta afectează doar diagrama generată și nu afectează circuitul; poarta X acționează în continuare pe qubitul $0$.

from qiskit import QuantumCircuit

qc = QuantumCircuit(2)
qc.x(0)
qc.draw(reverse_bits=True)

q_1: ─────
     ┌───┐
q_0: ┤ X ├
     └───┘

Poți folosi metoda reverse_bits pentru a returna un nou Circuit cu etichetele qubiților inversate (aceasta nu modifică Circuit-ul original).

qc.reverse_bits().draw()

q_0: ─────
     ┌───┐
q_1: ┤ X ├
     └───┘

Reține că în acest nou circuit, poarta X acționează pe qubitul $1$.

Pași următori

Recomandări

• Vezi un exemplu de utilizare a Circuit-urilor în tutorialul Algoritmul lui Grover.
• Explorează referința QuantumCircuit API.