量子线路

量子线路是量子计算领域中的一种重要模型，用于描述和研究量子算法和量子计算机的运行过程。它是一种图形化的表示方法，用于展示量子比特之间的操作和相互作用，类似于经典计算中的电路图。

由于组成量子线路的每一个量子逻辑门都是一个 酉算子 ，所以整个量子线路整体也是一个大的酉算子。

量子线路的主要目的是模拟和探究量子计算过程，通过在量子比特上应用各种量子门操作（如Hadamard门、CNOT门等），以实现复杂的量子算法，一般来说，量子线路的结构大致如下图所示：

根据上图以及《量子计算与量子信息》一书的内容，量子线路的结构组成主要包括：

量子比特（Qubits） ：量子线路的基本单元，与经典计算中的比特类似，但具有量子叠加和纠缠等量子特性。

量子操作和量子门（Quantum Gates） ：这些是对量子比特进行操作的基本元素，类似于经典计算中的逻辑门。量子门可以是单比特门（只作用于一个量子比特）或多比特门（作用于多个量子比特），常见的有Hadamard门、Pauli门、CNOT门等。

时间线 ：即连接量子操作的线，表示执行时序，同时量子线路中量子门的顺序和连接方式形成了一种拓扑结构，该结构决定了量子算法的运行流程。

模块介绍

class QCircuit

该类实现了用于构建和操作量子线路的方法，通过添加量子门和控制操作等来生成量子线路。

__init__(): 创建一个空的量子线路。

__init__(arg0: NodeIter)

根据给定的节点迭代器创建量子线路。

参数:: arg0 (NodeIter) -- 节点迭代器。

control(control_qubits: QVec) → QCircuit

获得QCircuit的施加控制之后的量子线路

参数:: control_qubits (QVec) -- 控制比特列表。
返回:: 新的施加控制后的量子线路。
返回类型:: QCircuit

dagger() → QCircuit

获得QCircuit的转置共轭之后的量子线路

返回:: QCircuit的转置共轭之后的量子线路
返回类型:: QCircuit

insert(arg0: QCircuit) → QCircuit

:: insert(arg0: QGate) -> QCircuit

参数:: arg0 (QGate、QCircuit) -- 要插入的量子门和量子线路。
返回:: 当前量子线路。
返回类型:: QCircuit

is_empty() → bool

检查量子线路是否为空。

返回:: 若量子线路为空则为 True，否则为 False。
返回类型:: bool

set_control(control_qubits: QVec) → None

设置控制比特，用于实现控制门操作。

参数:: control_qubits (QVec) -- 控制比特列表。

set_dagger(arg0: bool) → None

设置线路是否为dagger形式。

参数:: arg0 (bool) -- 若为 True 则表示将线路设置为dagger

__lshift__(arg0: QCircuit) → QCircuit

:: __lshift__(arg0: QGate) -> QCircuit

参数:: arg0 (QGate、QCircuit) -- 通过左移操作符待插入的节点
返回:: 生成的新量子线路。
返回类型:: QCircuit

在pyqpanda中，QCircuit类是一个仅装载量子逻辑门的容器类型，它也是QNode中的一种，初始化一个QCircuit对象除了上述直接使用初始化函数外，

cir = QCircuit()

还可以使用

prog = create_empty_circuit()

你可以通过如下方式向QCircuit尾部填充节点，在这里pyqpanda重载了 << 运算符作为插入量子线路的方法

cir << node

node的类型可以为QGate或QCircuit。

我们还可以获得QCircuit的转置共轭之后的量子线路，使用方式为：

cir_dagger = cir.dagger()

如果想复制当前的量子线路，并给复制的量子线路添加控制比特，可以使用下面的方式：

qvec = [qubits[0], qubits[1]]
cir_control = cir.control(qvec)
备注

向QCircuit中插入QPorg，QIf，Measure不会报错，但是运行过程中可能会产生预料之外的错误

一个构建好的QCircuit不能直接参与量子计算与模拟，需要进一步构建成QProg类型

实例

from pyqpanda import *

if __name__ == "__main__":

    qvm = CPUQVM()
    qvm.init_qvm()
    qubits = qvm.qAlloc_many(4)
    cbits = qvm.cAlloc_many(4)

    # 构建量子程序
    prog = QProg()
    circuit = QCircuit()

    circuit << H(qubits[0]) \
            << CNOT(qubits[0], qubits[1]) \
            << CNOT(qubits[1], qubits[2]) \
            << CNOT(qubits[2], qubits[3])

    prog << circuit << Measure(qubits[0], cbits[0])

    # 量子程序运行1000次，并返回测量结果
    result = qvm.run_with_configuration(prog, cbits, 1000)

    # 打印量子态在量子程序多次运行结果中出现的次数
    print(result)

运行结果：

{'0000': 486, '0001': 514}

GHZ线路

通过对申请的寄存器中中添加量子门，来设计量子线路，下图是通过添加H门和CNOT门来实现GHZ态。

在qubit0上添加H门，使其变成叠加态 \(\left(|0\rangle+|1\rangle\right)/\sqrt{2}\) 。

在qubit0和qubit1，2，3之间分别添加一个CNOT门，在理想的量子计算机上，构成的线路运行之后产生的状态就是GHZ态。

\[\begin{aligned} |\psi\rangle = \left(|0000\rangle+|1111\rangle\right)/\sqrt{2} \end{aligned}\]

\[\begin{aligned} \left(|0\rangle+|1\rangle\right)/\sqrt{2} \end{aligned}\]

代码示例

from pyqpanda import *

if __name__ == "__main__":

    qvm = CPUQVM()
    qvm.init_qvm()
    qubits = qvm.qAlloc_many(4)
    cbits = qvm.cAlloc_many(4)

    # 构建量子程序
    prog = QProg()

    measure_node = Measure(qubits[0], cbits[0])

    或

    measure_node = Measure(0, 1)