ユーティリティスケール実験 II

備考

Yukio Kawashima（2024年7月12日）

オリジナル講義の PDFをダウンロード してください。静止画像のため、コードスニペットの一部が廃止されている場合があります。

この実験を実行するおおよその QPU 時間は 2 分 30 秒です。

（このノートブックは、Qiskit Algorithms の現在廃止されたチュートリアルノートブックのテキスト、図解、コードを使用しています。）

1. 時間発展の導入とレビュー

このノートブックはレッスン7の手法とテクニックに従います。目標は時間依存シュレーディンガー方程式を数値的に解くことです。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システムの時間発展を近似するように選ばれた量子ゲートを逐次的に適用することです。ここでは便宜上、その説明を繰り返します。最近レッスン7を復習した場合は、以下のコードセルにスキップしても構いません。

シュレーディンガー方程式に従い、時刻 $t=0$ で状態 $\vert\psi(0)\rangle$ にあるシステムの時間発展は次の形をとります：

$$\vert \psi(t) \rangle = e^{-i H t} \vert \psi(0) \rangle \text{,}$$

ここで $H$ はシステムを支配する時間独立ハミルトニアンです。$H=\sum_j a_j P_j$ と書けるハミルトニアンを考えます。ここで $P_j$ は $n$ 個の Qubit に作用するパウリ項のテンソル積を表します。特に、これらのパウリ項は互いに交換する場合とそうでない場合があります。$t=0$ における状態が与えられたとき、量子コンピューターを使って後の時刻 $|\psi(t)\rangle$ におけるシステムの状態を求めるにはどうすればよいでしょうか？演算子の指数関数は、テイラー展開を通じて最も簡単に理解できます：

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

$e^{iZ}$ 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ー上で容易に実装できます。関心のあるほとんどのハミルトニアンは単一の項だけでなく、多くの項を持ちます。$H = H_1+H_2$ の場合に何が起こるかに注目してください：

$$e^{-i H t} = 1-i(H_1+H_2)t-\frac{1}{2}(H_1+H_2)^2t^2+...$$

$H_1$ と $H_2$ が交換する場合、以下のよく知られた関係が成り立ちます（これは数値や、以下の変数 $a$ および $b$ でも成り立ちます）：

$$e^{-i (a+b) t} = e^{-i a t}e^{-i b t}$$

しかし、演算子が交換しない場合、テイラー展開の項をこのように並べ替えて簡略化することはできません。そのため、複雑なハミルトニアンを量子ゲートで表現することは困難です。

一つの解決策は、テイラー展開の一次項が支配的になるほど非常に小さな時間 $t$ を考えることです。その仮定の下では：

$$e^{-i (H_1+H_2) t} \approx 1-i(H_1+H_2)t \approx (1-i H_1 t)(1-i H_2 t) \approx e^{-i H_1 t}e^{-i H_2 t}$$

もちろん、状態をより長い時間にわたって発展させる必要があるかもしれません。それは、このような小さな時間ステップを多数使うことで達成されます。このプロセスをトロッター化と呼びます：

$$\vert \psi(t) \rangle \approx \left(\prod_j e^{-i a_j P_j t/r} \right)^r \vert\psi(0) \rangle \text{,}$$

ここで $t/r$ は選択している時間スライス（発展ステップ）です。その結果、$r$ 回適用されるゲートが生成されます。時間ステップが小さいほど近似精度は高くなりますが、回路が深くなり、実際には誤差の蓄積が増えます（近距離量子デバイスでは無視できない問題です）。

本日は、$N=2$ および $N=6$ サイトの線形格子上におけるイジングモデルの時間発展を研究します。これらの格子は、最近接格子点のみと相互作用するスピン $\sigma_i$ の配列で構成されています。これらのスピンは $\uparrow$ と $\downarrow$ の2つの向きを持ち、それぞれ磁化 $+1$ と $-1$ に対応します。

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

ここで $J$ は相互作用エネルギーを表し、$h$ は外部磁場の大きさ（上式ではx方向ですが、これを変更します）を表します。パウリ行列を使ってこの式を書き、外部磁場がトランスバース方向に対して角度 $\alpha$ をなすことを考慮すると、

$$H = -J \sum_{i=0}^{N-2} Z_i Z_{i+1} -h \sum_{i=0}^{N-1} (\sin\alpha Z_i + \cos\alpha X_i) \text{.}$$

このハミルトニアンは、外部磁場の効果を容易に研究できるという点で有用です。計算基底では、システムは以下のようにエンコードされます：

量子状態	スピン表現
$\lvert 0 0 0 0 \rangle$	$\uparrow\uparrow\uparrow\uparrow$
$\lvert 1 0 0 0 \rangle$	$\downarrow\uparrow\uparrow\uparrow$
$\ldots$	$\ldots$
$\lvert 1 1 1 1 \rangle$	$\downarrow\downarrow\downarrow\downarrow$

このような量子システムの時間発展を調べることから始めます。具体的には、磁化のようなシステムの特定の特性の時間発展を可視化します。

# Added by doQumentation — required packages for this notebook
!pip install -q matplotlib numpy qiskit qiskit-aer qiskit-ibm-runtime

# Check the version of Qiskit
import qiskit

qiskit.__version__

'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モデルを考えます。

まず、システムパラメーター $N$、$J$、$h$ 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。SparsePauliOp は、重み付きパウリ項による演算子のスパース表現です。

2.1 アクティビティ 1

「Qubit 数」、「J パラメーター」、「h パラメーター」を引数として横磁場イジングハミルトニアン（上記の方程式を参照）を構築する関数を作成してください。前の例を参考にして自力で試みてください。解答は下にスクロールしてください。

解答：

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()

量子システムの時間発展を調べながら、磁化を追跡することから始めます。 ここでは状態ベクトルシミュレーターと行列積状態シミュレーターの結果を比較します。

ハミルトニアンの定義

現在考えるシステムのサイズは $N=20$ です。

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

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ー設定

ここでは Lie–Trotter（一次）を考えます。

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

量子 Circuit の準備（初期状態）

初期状態を作成します。強磁性状態（全て上向きまたは全て下向き）である基底状態から始めます。ここでは全て上向き（全て '0'）の例を使います。

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")

量子 Circuit の準備 2（時間発展用の単一 Circuit）

ここでは Lie–Trotter を使って単一時間ステップの Circuit を構築します。 リー積公式（一次）は LieTrotter クラスに実装されています。一次公式は、導入部で述べた近似から成り、和の行列指数関数を行列指数関数の積で近似します：

$$e^{H_1+H_2} \approx e^{H_1} e^{H_2}$$

この Circuit の演算数を数えてみましょう。

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)

Trotter step with Lie-Trotter
-----------------------------
Depth: 58
Gate count: 77
Nonlocal gate count: 38
Gate breakdown: CX: 38, U3: 20, U1: 19

測定する演算子の設定

磁化演算子 $\sum_i Z_i / N$ を定義しましょう。

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)

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の実行

磁化（磁化演算子の期待値）を監視します。状態ベクトルシミュレーターと MPS シミュレーターを使用し、結果を比較します。

# 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)

観測量の時間発展のプロット

測定した期待値を時間に対してプロットします。状態ベクトルシミュレーターと行列積空間シミュレーターの結果が一致することを確認してください。

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")

Text(0.5, 0.98, 'Observable evolution')

量子システムの時間発展を調べながら、特性を追跡することから始めます。 ここでは行列積状態シミュレーターと実際の量子デバイスの結果を比較します。

2.2 アクティビティ 2

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 $N=70$ です。その他の条件は20 Qubitの問題と同じであることに注意してください。自分で試してみてください。答えは下にスクロールすると確認できます。

解答:

# 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

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', 'IIIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIZZIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', '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', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII', '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

初期状態を作成します。基底状態（強磁性状態：すべてアップまたはすべてダウン）から開始します。ここではすべてアップ（すべて「0」）の例を使用します。自分で試してみてください。答えは下にスクロールすると確認できます。

解答:

# 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")

2.4 アクティビティ 4

70 Qubit 問題向けの量子 Circuit 2（時間発展のための単一 Circuit）を準備する

ここでは Lie–Trotter 法を使用して、単一タイムステップの Circuit を構築します。 20 Qubit の場合とまったく同じように、Lie 積公式（1次）は LieTrotter クラスに実装されています。再度確認しておくと、1次の公式は次の近似から成ります。

$$e^{H_1+H_2} \approx e^{H_1} e^{H_2}$$

20 Qubit の場合の例をもとに、自分で試してみてください。前回と同様に、この Circuit の演算数を数えてください。

解答:

# 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)

Trotter step with Lie-Trotter
-----------------------------
Depth: 208
Gate count: 277
Nonlocal gate count: 138
Gate breakdown: CX: 138, U3: 70, U1: 69

2.5 アクティビティ 5

測定する演算子を設定する

20 Qubit の場合と完全に類似した磁化演算子 $\sum_i Z_i / N$ を定義します。20 Qubit の解答を修正して、自分で試してみてください。

解答:

# 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)

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（磁化演算子の期待値）を監視します。ハードウェアで計算した結果と比較するための参照値を取得するために MPS シミュレーターを使用します。このチュートリアルでは以前にも MPS シミュレーターを使用しました。この新しい計算に合わせて、その例を必要に応じて修正してください。

解答:

# 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)

これまでのすべてのレッスンと同様に、Qiskit パターンのフレームワークを実装します。ここまでのレッスンは、問題を記述するための正しい量子 Circuit を作成することに焦点を当ててきました。これが実質的にステップ 1 に相当します。

ステップ 2: ターゲットハードウェアに向けて最適化する

まず、ターゲットの Backend を定義します。

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

'ibm_kingston'

Circuit をトランスパイルし、リストにまとめます。数分かかる場合があります。

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: ターゲットハードウェア上で実行する

Runtime Estimator を定義し、PUB のリストを構築します。また、測定する演算子にレイアウトを適用する必要があります。

# 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整いました。

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

d147hfdqf56g0081sxs0

# check job status
job.status()

'DONE'

ステップ 4: 結果を後処理する

まず結果を取得します。

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

次に、これらの結果から期待値を抽出する必要があります。

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

以下の比較にこれを使用します。まず、Circuit をさらに最適化できるかどうかを確認しましょう。

3. 実際の量子コンピューターを使った解法 II

Qiskit パターンのステップ 1 に戻り、Circuit の深さを削減できるか検討します。

3.1 ステップ 1. 問題を量子 Circuit と演算子にマッピングする

アクティビティ 7

時間発展 Circuit を構築してください。以前のレッスンで得た知識を活用して、Circuit の深さを削減することを試みてください。

解答:

# 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")

Trotter step with Lie-Trotter
-----------------------------
Depth: 7
Gate count: 277
Nonlocal gate count: 138
Gate breakdown: CX: 138, U3: 70, U1: 69

これは非常に良い結果となりました。残りの Qiskit パターンのステップに進むことができます。

3.2 ステップ2：ターゲットハードウェア向けに最適化する

Circuit をトランスパイルし、リストにまとめます。こちらも数分かかる場合があります。

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のリストを構築します。

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)

d147qqeqf56g0081sye0

# check job status
job2.status()

'DONE'

結果を取得します。

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します。

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

リストをプロット用のnumpy配列に変換します。

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

では、結果をプロットして、ハードウェア（デフォルトおよびシャロー Circuit）の結果とMPSシミュレーターの結果を比較してみましょう。実際のハードウェアにおける誤差は結果にどのような影響を与えるでしょうか？

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")

Text(0.5, 0.98, 'Observable evolution')

おめでとうございます！ユーティリティスケール量子コンピューティングの学習においてまた一歩前進しました。残りのレッスンはあと1つだけです！