横磁場イジングモデルの時間発展のシミュレーション

使用量の目安: Nighthawk r2 プロセッサーで105秒（注: これはあくまで目安です。実際の実行時間は異なる場合があります。）

学習内容

Julia を使用して、ハードウェア上で量子Circuitをトランスパイルして実行する方法を学びます
測定結果を後処理して期待値を計算する方法を学びます
ハードウェアの結果を古典シミュレーションと比較ベンチマークし、トロッター近似誤差とハードウェアノイズの複合的な影響を定量化する方法を学びます

前提条件

このチュートリアルを始める前に、次のトピックに慣れておいてください。

背景

Julia は、主に数値計算や科学技術計算向けに設計された動的プログラミング言語です。その高性能な数値計算能力により、量子シミュレーションのワークフローに自然に適合します。このチュートリアルでは、古典的な前処理と後処理（たとえば、ハミルトニアンの構築、ODE（常微分方程式）ソルバーの実行、期待値の計算）と、量子ハードウェアジョブのオーケストレーションの両方に Julia を使用する方法を示します。これにより、言語や環境を切り替える必要がなくなります。

Julia から IBM Quantum® ハードウェアを利用するために、このチュートリアルでは Qiskit エコシステムの2つのパッケージを使用します。Qiskit.jl は Qiskit C ライブラリをラップし、Julia でのCircuit構築とトランスパイルの機能を提供します。QiskitIBMRuntime.jl は IBM Quantum Compute Service クライアントを通じて IBM Quantum ハードウェアに接続し、Julia から直接ジョブの送信と結果の取得を可能にします。

このチュートリアルでは、最近接相互作用を持つ1次元鎖上の横磁場イジングモデルのトロッター化された時間発展を考えます。

H = \sum_{\langle i,j\rangle}J_{ij}Z_iZ_j + \sum_i h_i X_i

時間発展 $e^{-iH\tau}$ を実装するために、時間区間 $\tau$ を $r$ ステップに分割し、 $\Delta\tau=\tau/r$ と定義します。2次のトロッター・鈴木分解は次のようになります。

e^{-iH\Delta\tau}\approx \prod_i e^{-ih_i X_i\Delta\tau/2 } \prod_{\langle i,j\rangle} e^{-iJ_{ij}Z_iZ_j\Delta\tau} \prod_i e^{-ih_iX_i\Delta\tau/2}

Circuitの構築では、各トロッターステップを、1 Qubitの $R_x$ 回転と2 Qubitの $R_{ZZ}$ Gateの列として実装します。Circuitはまず、1つおきのQubitにXゲートを適用してネール状態 $|0101\cdots\rangle$ を準備します。続く各トロッターステップでは、(1) すべてのQubitに $R_x(h_i\Delta\tau)$ 、(2) 鎖に沿った隣接する各ペアに $R_{ZZ}(2J_{ij}\Delta\tau)$ 、(3) 再びすべてのQubitに $R_x(h_i\Delta\tau)$ を適用します。Circuitの全体の深さは、トロッターステップ数 $r$ に比例して増加します。

要件

このチュートリアルには macOS または Linux が必要です。Qiskit.jl は現在 Windows ではサポートされていません（このオープンな issue で追跡されています）。

はじめに、Julia のダウンロードページの手順に従って Julia をインストールします。このチュートリアルは Julia 1.11 で開発されました。juliaup add 1.11 でインストールしてください。

次に、ターミナルで次のコマンドを実行し、Julia パッケージ IJulia をグローバル環境にインストールします。これにより、Jupyter ノートブック内で Julia を実行できるようになります。

julia -e 'using Pkg; Pkg.add("IJulia")'

Julia の組み込みパッケージマネージャーを使用して、プロジェクト環境をセットアップします。環境をセットアップする方法は2通りあります。

オプション1: 一時的な環境。次のコードセルを実行して、一時的な環境をセットアップし、必要なパッケージをインストールできます。

オプション2: テスト済みの環境を正確に再現する。下のセルで download_toml_files = true を設定します。このセルは、ドキュメントのリポジトリから Project.toml と Manifest.toml を、このノートブックと同じ場所にある env_tutorial/time-evolution/ フォルダーにダウンロードし、その環境を有効化して、そこに記録されている正確なパッケージのバージョンをインストールします。プロジェクトファイルは環境を高いレベルで記述しており、たとえば [deps] セクションにはすべての依存関係が列挙されています。マニフェストファイルは、（間接的な依存関係を含む）すべてのパッケージの正確なバージョンを固定し、環境を再現可能にします。詳細は Julia のドキュメントを参照してください。

次の依存関係が環境にインストールされます。

量子Circuitの構築と実行用:

Qiskit.jl
QiskitIBMRuntime.jl

古典シミュレーション用:

OrdinaryDiffEq.jl
TensorNetworkQuantumSimulator.jl

結果の後処理と可視化用:

StatsBase.jl
Plots.jl

このチュートリアルは、Qiskit.jl バージョン 0.6.0 と QiskitIBMRuntime.jl バージョン 0.3.1 でテストされています。

using Pkg
using Downloads

download_toml_files = false

if !download_toml_files
    # Option 1: Install the latest versions of the required packages into a temporary environment
    Pkg.activate(mktempdir(); io=devnull)
    Pkg.add([
        PackageSpec(name="Qiskit"),
        PackageSpec(name="QiskitIBMRuntime"),
        PackageSpec(name="Python_jll"),
        PackageSpec(name="OrdinaryDiffEq"),
        PackageSpec(name="TensorNetworkQuantumSimulator"),
        PackageSpec(name="StatsBase"),
        PackageSpec(name="Plots"),
    ]; io=devnull)
else
    # Option 2: Install the exact tested versions pinned in the downloaded Project.toml and Manifest.toml
    base_url = "https://raw.githubusercontent.com/Qiskit/documentation/main/docs/tutorials/assets/time-evolution/julia"
    env_dir = joinpath(@__DIR__, "env_tutorial", "time-evolution")
    mkpath(env_dir)
    for file in ("Project.toml", "Manifest.toml")
        Downloads.download("$base_url/$file", joinpath(env_dir, file))
    end

    Pkg.activate(env_dir; io=devnull)
    Pkg.instantiate(; io=devnull) # installs the exact versions recorded in Manifest.toml
end

ここまでで、ノートブックを実行するための Julia プロジェクト環境をセットアップしました。IBM の量子処理装置でワークフローを実行するには、IBM Quantum アカウントと、qiskit-ibm-runtime からサービスをインスタンス化するための API トークンが必要です。ハードウェア上で最初のCircuitを実行するのトピックにある「インストールと認証」の手順に従って、API トークンを生成し、インスタンスの CRN を確認してください。

セットアップ

using Qiskit
using Qiskit.Operations
using QiskitIBMRuntime
using StatsBase
using OrdinaryDiffEq
using SparseArrays
using LinearAlgebra
using TensorNetworkQuantumSimulator
using Plots: plot, plot!, heatmap, @layout, mm

ビット列 v の位置 i にあるビットの値を返す、次のユーティリティ関数も定義します。たとえば v = 6（2進数で 110）の場合、

bit_at(6, 1) は 0 を返し、
bit_at(6, 2) は 1 を返し、
bit_at(6, 3) は 1 を返します。

これは Qiskit で使われているリトルエンディアン規約に従っています。位置 i は最下位（「最も右」）のビットからインデックス付けされます。

"""
    bit_at(v::Integer, i::Integer) = (v >> (i-1)) & 1

Return the value of the bit at position `i` in `v`.
"""
bit_at(v::Integer, i::Integer) = (v >> (i-1)) & 1

bit_at

小規模シミュレーターの例

上記の横磁場イジングモデルで記述される、 $N$ 個のキュービットからなる1次元鎖を考えます。対象とする系について、系のサイズ N、トロッターステップ幅 δt、トロッターステップの総数 r_max を以下で指定します。全体の時間発展は δt * r_max です。なお、Julia は δt のような Unicode 識別子をサポートしています。ノートブックまたは Julia REPL では、\delta と入力して Tab キーを押すと δ を入力できます。詳細については、Julia Unicode 入力のドキュメントを参照してください。

厳密解

量子ハードウェアの結果と比較するための基準を確立するために、まず小規模な問題に対する古典シミュレーションのワークフローを示します。イジング・ハミルトニアンを疎行列として構築し、OrdinaryDiffEq.jl の ODEProblem を使ってシュレーディンガー方程式を数値積分することで、厳密な時間発展を求めます。この方法はキュービット数 $N$ に対して指数関数的にスケールします。 $2^N$ 次元の完全な状態ベクトルを保持する必要があります。 $N=20$ ではヒルベルト空間の次元がすでに100万を超えており、これより大きな系では現実的ではありません。

N = 20
δt = 0.05 # Trotter step size
r_max = 10 # total number of Trotter steps

h = fill(1.0, N)
J = fill(1.0, N-1)

# Build the Ising Hamiltonian as a sparse 2^n × 2^n matrix
function build_ising_hamiltonian(h::AbstractVector{<:Real}, J::AbstractVector{<:Real}, n::Int)
    dim = 2^n

    # diagonal ZZ terms
    diag_terms = zeros(Float64, dim)
    for i in 1:n-1
        for b in 0:dim-1
            bi = bit_at(b, i) # bit at position i
            bi_next = bit_at(b, i+1) # bit at position i + 1
            diag_terms[b+1] += J[i] * (1-2bi) * (1-2bi_next)
        end
    end
    H = spdiagm(0 => complex(diag_terms))

    # off-diagonal local X terms
    for i in 1:n
        mask = 1 << (i-1)
        cols = [xor(b, mask) + 1 for b in 0:dim-1]
        H += h[i] * sparse(1:dim, cols, ones(ComplexF64, dim), dim, dim)
    end
    return H
end

H_ising = build_ising_hamiltonian(h, J, N)

1048576×1048576 SparseMatrixCSC{ComplexF64, Int64} with 22020096 stored entries:
⎡⣿⣿⣾⢦⡀⠳⣄⠀⠀⠀⠳⣄⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠳⣄⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⎤
⎢⠺⣟⢻⣶⣿⡂⠈⠳⣄⠀⠀⠈⠳⣄⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠈⠳⣄⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⎥
⎢⢤⡈⠻⠻⠿⣧⣤⣠⡈⠳⠄⠀⠀⠈⠳⣄⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠈⠳⣄⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⎥
⎢⠀⠙⢦⡀⠀⣻⣿⣿⣙⣦⡀⠀⠀⠀⠀⠈⠳⣄⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠈⠳⣄⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⎥
⎢⠀⠀⠀⠙⢦⡈⠳⣼⣿⣿⡆⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠈⠳⣄⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠈⠳⣄⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⎥
⎢⠙⢦⡀⠀⠀⠁⠀⠈⠈⠉⣿⣿⣾⢦⡀⠳⣄⠀⠀⠈⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠈⠳⣄⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⎥
⎢⠀⠀⠙⢦⡀⠀⠀⠀⠀⠀⠺⣟⢻⣶⣿⡂⠈⠳⣄⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠈⠳⣄⠀⠀⠀⠀⠀⠀⎥
⎢⠀⠀⠀⠀⠙⢦⡀⠀⠀⠀⢤⡈⠻⠻⠿⣧⣤⣠⡈⠳⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠈⠳⣄⠀⠀⠀⠀⎥
⎢⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠙⢦⡀⠀⠀⠙⢦⡀⠀⣻⣿⣿⣙⣦⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠈⠳⣄⠀⠀⎥
⎢⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠙⢦⡀⠀⠀⠙⢦⡈⠳⣼⣿⣿⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠈⠳⣄⎥
⎢⠙⢦⡀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⣿⣿⡟⢦⡈⠳⣄⠀⠀⠈⠳⣄⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⎥
⎢⠀⠀⠙⢦⡀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠻⣍⣿⣿⣯⠀⠈⠳⣄⠀⠀⠈⠳⣄⠀⠀⠀⠀⠀⠀⎥
⎢⠀⠀⠀⠀⠙⢦⡀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⢦⡈⠋⠛⢻⣶⣦⣦⡈⠓⠀⠀⠀⠈⠳⣄⠀⠀⠀⠀⎥
⎢⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠙⢦⡀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠙⢦⡀⠨⣿⠿⣧⣽⡦⠀⠀⠀⠀⠀⠈⠳⣄⠀⠀⎥
⎢⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠙⢦⡀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⡀⠀⠀⠙⢦⠈⠳⡿⣿⣿⣀⡀⡀⠀⢀⠀⠀⠈⠳⣄⎥
⎢⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠙⢦⡀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠙⢦⡀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠸⣿⣿⡟⢦⡈⠳⣄⠀⠀⠀⎥
⎢⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠙⢦⡀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠙⢦⡀⠀⠀⠀⠀⠈⠻⣍⣿⣿⣯⠀⠈⠳⣄⠀⎥
⎢⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠙⢦⡀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠙⢦⡀⠀⠀⠐⢦⡈⠋⠛⢻⣶⣦⣦⡈⠓⎥
⎢⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠙⢦⡀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠙⢦⡀⠀⠀⠙⢦⡀⠨⣿⠿⣧⣽⡦⎥
⎣⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠙⢦⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠙⢦⠀⠀⠀⠙⢦⠈⠳⡿⣿⣿⎦

シュレーディンガー方程式の右辺を、インプレース形式 schrodinger!(dψ, ψ, H, t) で定義します。これは疎行列とベクトルの積を用いて $d\psi/dt = -iH\psi$ を計算します。次に、ネール状態を初期条件として ODEProblem を設定し、時間区間 $[0, r \cdot \delta t]$ で解き、各時間ステップ $\delta t$ ごとに状態を保存します。使用するソルバーは Tsit5() で、非スティッフな問題に適した標準的な陽的4次/5次ルンゲ・クッタ法です。

# initial state |0101...01⟩
ψ0 = zeros(ComplexF64, 2^N)
neel_index = sum(1 << (i-1) for i in 1:2:N)
ψ0[neel_index + 1] = 1.0

function schrodinger!(dψ::AbstractVector, ψ::AbstractVector, H::AbstractMatrix, t::Real)
    mul!(dψ, H, ψ)
    dψ .*= -im
end

tspan = (0.0, r_max * δt)
prob = ODEProblem(schrodinger!, ψ0, tspan, H_ising)
sol = solve(prob, Tsit5(), saveat=δt)

retcode: Success
Interpolation: 1st order linear
t: 11-element Vector{Float64}:
 0.0
 0.05
 0.1
 0.15
 0.2
 0.25
 0.3
 0.35
 0.4
 0.45
 0.5
u: 11-element Vector{Vector{ComplexF64}}:
 [0.0 + 0.0im, 0.0 + 0.0im, 0.0 + 0.0im, 0.0 + 0.0im, 0.0 + 0.0im, 0.0 + 0.0im, 0.0 + 0.0im, 0.0 + 0.0im, 0.0 + 0.0im, 0.0 + 0.0im  …  0.0 + 0.0im, 0.0 + 0.0im, 0.0 + 0.0im, 0.0 + 0.0im, 0.0 + 0.0im, 0.0 + 0.0im, 0.0 + 0.0im, 0.0 + 0.0im, 0.0 + 0.0im, 0.0 + 0.0im]
 [-7.612535273941705e-14 + 2.5737401150886516e-29im, 7.616818423232204e-14 - 1.6944517510822304e-12im, -8.565903349044157e-17 + 3.2368190823993794e-15im, -7.61682079584434e-14 - 1.078515326911689e-15im, 1.523363843119942e-13 - 1.6912125988569567e-12im, 3.5867824743714624e-11 + 5.083352813839524e-12im, -7.608249752495255e-14 - 4.317561743447096e-15im, 7.616820798431766e-14 - 1.6944516451719627e-12im, -8.570258514925147e-17 + 3.2384113624188233e-15im, -7.606534127496737e-14 - 5.398093819616815e-15im  …  -7.591102113501652e-14 - 7.55501666902211e-15im, 1.5233640806402347e-13 - 1.691212597789024e-12im, -4.283149391646935e-17 + 3.2390475588024777e-15im, -7.61253567131055e-14 - 4.319154099332238e-15im, 1.28498500555455e-16 + 4.773388002812907e-18im, -8.570258413862945e-17 + 3.2384113624488572e-15im, -7.612534879063769e-14 - 3.2390464923709225e-15im, 1.5233638826330585e-13 - 1.6912127047672224e-12im, -4.283149290692347e-17 + 3.237455101084436e-15im, -7.612535273941595e-14 - 1.8338992189508272e-31im]
 [-8.680854672628291e-11 - 3.427254579020333e-25im, 8.709110140864061e-11 - 8.699033104505336e-10im, -5.649235901782656e-13 + 8.601572275260816e-12im, -8.709221846767839e-11 - 2.859732693854631e-12im, 1.7418295344900034e-10 - 8.612608133903897e-10im, 8.41248317362033e-9 + 2.6096671235273274e-9im, -8.652487588621059e-11 - 1.1500395899126693e-11im, 8.709222358844944e-11 - 8.699014655672987e-10im, -5.669821718119223e-13 + 8.629638578162805e-12im, -8.641073444337035e-11 - 1.4395664161950265e-11im  …  -8.538755211456945e-11 - 2.0113079067784756e-11im, 1.7418407565004836e-10 - 8.612606969068827e-10im, -2.825548799186401e-13 + 8.640787361594646e-12im, -8.680873675466659e-11 - 1.152847038256832e-11im, 8.478635815548866e-13 + 8.382372443494577e-14im, -5.669819735592012e-13 + 8.629638588149376e-12im, -8.680836165042751e-11 - 8.640671375786309e-12im, 1.7418313902498964e-10 - 8.61262658275938e-10im, -2.82554682353394e-13 + 8.612701741862262e-12im, -8.680854672628374e-11 - 2.811149115586865e-25im]
 [-4.2861942928308275e-9 - 4.7678984538985196e-24im, 4.318192995176613e-9 - 2.8269371315624182e-8im, -6.395173522788358e-11 + 6.447233357075582e-10im, -4.318468070877377e-9 - 2.1364257686596578e-10im, 8.636571975410676e-9 - 2.7617721500979347e-8im, 1.7289660717976908e-7 + 8.480086489483005e-8im, -4.253920910159066e-9 - 8.649865429907717e-10im, 4.318470318624579e-9 - 2.826906169988642e-8im, -6.446071076018044e-11 + 6.495016281145607e-10im, -4.240844230135151e-9 - 1.0846764703342651e-9im  …  -4.124170626784771e-9 - 1.5115818225612714e-9im, 8.636849310525618e-9 - 2.7617681592276622e-8im, -3.199878870600196e-11 + 6.513863923787342e-10im, -4.2862418335791054e-9 - 8.697676141630365e-10im, 9.60478168658149e-11 + 1.4206678132640617e-11im, -6.446062402203318e-11 + 6.495016332435747e-10im, -4.286148929585427e-9 - 6.513467397401749e-10im, 8.636617557977306e-9 - 2.7618031117900408e-8im, -3.1998702345812497e-11 + 6.466014984949206e-10im, -4.286194292830829e-9 + 4.870909626742163e-24im]
 [-6.079348924748445e-8 + 6.709717322272516e-24im, 6.162943323939352e-8 - 2.9592110353110093e-7im, -1.6696556398383817e-9 + 1.2400459826013194e-8im, -6.164292787255694e-8 - 4.088131560944853e-9im, 1.2326810978249792e-7 - 2.832733452226872e-7im, 1.253532043962043e-6 + 8.875042569125039e-7im, -5.994408800994472e-8 - 1.6725258647088304e-8im, 6.164314112979357e-8 - 2.9591021577421156e-7im, -1.6948387141108349e-9 + 1.2572865374243683e-8im, -5.959595610442699e-8 - 2.1031419496566967e-8im  …  -5.651357562833814e-8 - 2.9192023780832225e-8im, 1.2328181992163385e-7 - 2.832706038202527e-7im, -8.359520177503641e-10 + 1.2640019589288568e-8im, -6.079590106381668e-8 - 1.689785040734888e-8im, 2.5106376181130386e-9 + 5.084778396177926e-10im, -1.6948306165735295e-9 + 1.2572866042727832e-8im, -6.079128573701664e-8 - 1.2637312624047932e-8im, 1.2327033399936622e-7 - 2.8328423313378375e-7im, -8.359439919088748e-10 + 1.2467163914771088e-8im, -6.079348924748447e-8 + 1.0331673240130025e-23im]
 [-4.193552407608965e-7 - 1.840220498495959e-23im, 4.2862657866184504e-7 - 1.605297190776032e-6im, -1.8502762435969943e-8 + 1.0856276308591437e-7im, -4.288690355597115e-7 - 3.554458373697522e-8im, 8.574220964863143e-7 - 1.4932465582703908e-6im, 4.849187224415274e-6 + 4.812233679729101e-6im, -4.098425461298137e-7 - 1.4745065418194435e-7im, 4.288753395920834e-7 - 1.6051467128773302e-6im, -1.896035285782807e-8 + 1.1102835700521827e-7im, -4.0588320553359593e-7 - 1.8611022850670223e-7im  …  -3.711838427223188e-7 - 2.569391306045151e-7im, 8.57670971098675e-7 - 1.4931825847645462e-6im, -9.271568570757063e-9 + 1.1197289579952942e-7im, -4.194005371452928e-7 - 1.4992045110994755e-7im, 2.787088237718031e-8 + 7.194933454521717e-9im, -1.8960118645415406e-8 + 1.1102838165568638e-7im, -4.193161709409199e-7 - 1.1191024844294344e-7im, 8.574617742181924e-7 - 1.4933970418540967e-6im, -9.271337900947239e-9 + 1.0949690324053836e-7im, -4.193552407608964e-7 + 1.6524848989693985e-22im]
 [-1.7823579016922897e-6 - 1.087640585040274e-21im, 1.840838369770109e-6 - 5.569854913729441e-6im, -1.1658899308162594e-7 + 5.632670364049069e-7im, -1.843111911436975e-6 - 1.8277839588324167e-7im, 3.6832950716080163e-6 - 4.979757871286645e-6im, 1.1823232043972897e-5 + 1.668138856075027e-5im, -1.7216192586061922e-6 - 7.718155525067347e-7im, 1.8432004842500001e-6 - 5.56872697042903e-6im, -1.209408931510706e-7 + 5.825677201706816e-7im, -1.6958321412209815e-6 - 9.789484717969276e-7im  …  -1.4727630743780977e-6 - 1.3421173522554028e-6im, 3.6856596566327488e-6 - 4.9790105233659736e-6im, -5.848359517965976e-8 + 5.898080282235565e-7im, -1.7828068643880377e-6 - 7.911632992433939e-7im, 1.760517112427114e-7 + 5.557422909554899e-8im, -1.209376913040035e-7 + 5.825681268981909e-7im, -1.7819976541714096e-6 - 5.890838036292954e-7im, 3.6836637838442504e-6 - 4.980885908360778e-6im, -5.848046807781978e-8 + 5.703874412047737e-7im, -1.7823579016922876e-6 + 1.4997773495573015e-22im]
 [-5.2719847869895295e-6 + 8.772351797140282e-21im, 5.515796864069832e-6 - 1.3769890958036113e-5im, -4.854583030811284e-7 + 1.984102714841576e-6im, -5.52914007682216e-6 - 6.365426377065764e-7im, 1.1041341496086288e-5 - 1.1652942788167796e-5im, 1.9151485012220565e-5 + 4.1169949873337434e-5im, -5.0149560721693026e-6 - 2.748560607544284e-6im, 5.529875137426081e-6 - 1.3764484293927507e-5im, -5.114444270677655e-7 + 2.0817439894898367e-6im, -4.903067916522327e-6 - 3.508133202204623e-6im  …  -3.950715241692067e-6 - 4.767013437270117e-6im, 1.1055449702075777e-5 - 1.1647607717886785e-5im, -2.4383689790869913e-7 + 2.1174362562762014e-6im, -5.274804158840664e-6 - 2.846520575369006e-6im, 7.355815857851513e-7 + 2.7656731682993024e-7im, -5.114187341304747e-7 + 2.0817477909234415e-6im, -5.2699143882793144e-6 - 2.112332735357189e-6im, 1.1043481329588082e-5 - 1.1658350328429614e-5im, -2.438120770802614e-7 + 2.018953103020384e-6im, -5.271984786989539e-6 + 6.138686657683503e-21im]
 [-1.1617825704147756e-5 + 1.0312565819538484e-21im, 1.2349337633136464e-5 - 2.5744303624623147e-5im, -1.454293291805138e-6 + 5.123664098726546e-6im, -1.2403650700016836e-5 - 1.6202581807656819e-6im, 2.473960492472325e-5 - 2.0155561130978555e-5im, 1.9144096039811722e-5 + 7.6742969783544e-5im, -1.0832694804431494e-5 - 7.1930875309620025e-6im, 1.2407719644833958e-5 - 2.572612053989065e-5im, -1.56229208977908e-6 + 5.474515092672054e-6im, -1.0480130191816845e-5 - 9.254685626031852e-6im  …  -7.537537188446326e-6 - 1.2435206581306264e-5im, 2.4798220145598703e-5 - 2.0129513964044365e-5im, -7.316420138432232e-7 + 5.598791194770797e-6im, -1.1630271281791021e-5 - 7.545396775206743e-6im, 2.2142322134173096e-6 + 9.742099793903422e-7im, -1.5621555243617513e-6 + 5.474538012007301e-6im, -1.1609612670484607e-5 - 5.574263610620754e-6im, 2.4748196626943606e-5 - 2.0173749496261283e-5im, -7.315119289888009e-7 + 5.243914596674148e-6im, -1.1617825704147746e-5 + 2.0077178062353968e-21im]
 [-1.9812558848038747e-5 - 9.187798066332235e-22im, 2.147271081932555e-5 - 3.757217609507472e-5im, -3.2943974661872274e-6 + 1.0138423201098428e-5im, -2.163583224409355e-5 - 3.1479593611068202e-6im, 4.3072956212126986e-5 - 2.6216146005671797e-5im, 4.770433131249609e-6 + 0.00011143181451766211im, -1.7992013464296718e-5 - 1.4466566267165694e-5im, 2.1652013724844488e-5 - 3.752687773861608e-5im, -3.6269134427165884e-6 + 1.1086241359275966e-5im, -1.7142579310500252e-5 - 1.8804566182208357e-5im  …  -1.0216935244391546e-5 - 2.491043927093904e-5im, 4.325353440439837e-5 - 2.6122963951736878e-5im, -1.6606359562313976e-6 + 1.140941830342574e-5im, -1.9853711381944784e-5 - 1.541920404485947e-5im, 5.050007317756615e-6 + 2.569541043839736e-6im, -3.6263960453836696e-6 + 1.1086337766500889e-5im, -1.97886585017898e-5 - 1.1323323936752868e-5im, 4.309833408283902e-5 - 2.6261466566058982e-5im, -1.6601519712867477e-6 + 1.044756873253024e-5im, -1.981255884803875e-5 + 7.339651656276922e-20im]
 [-2.6605994524636198e-5 + 1.1289591858171765e-19im, 2.9532145628332138e-5 - 4.333877076489454e-5im, -5.793688435837011e-6 + 1.572023652812328e-5im, -2.9906819721527362e-5 - 4.767746092973603e-6im, 5.9370303731772103e-5 - 2.51584831603933e-5im, -2.1873141629015348e-5 + 0.00012741720406900944im, -2.3313208885217603e-5 - 2.288272975975095e-5im, 2.995521974547466e-5 - 4.325274969426522e-5im, -6.580507052690018e-6 + 1.770923159800008e-5im, -2.1702668886267368e-5 - 3.0142728729320425e-5im  …  -8.927183090969304e-6 - 3.921197964153728e-5im, 5.979856139686108e-5 - 2.4903653161242186e-5im, -2.9274853045629046e-6 + 1.8356702741523666e-5im, -2.6711940545518465e-5 - 2.488368314305582e-5im, 8.967724203429812e-6 + 5.238269352768273e-6im, -6.579046665900031e-6 + 1.770952822000892e-5im, -2.6553193423229552e-5 - 1.812661956307733e-5im, 5.942741740138485e-5 - 2.5244572524328294e-5im, -2.9261511036959703e-6 + 1.6330572728121542e-5im, -2.660599452463617e-5 - 3.440870688152987e-20im]

状態ベクトル $\psi(t)$ を表すこの解から、単一キュービットの $\langle Z\rangle$ 期待値の時間関数として表される、サイトごとの磁化を求めることができます。これを、トロッター化された回路から得られた結果と比較します。

# get a single-qubit expectation value ⟨Z_qubit⟩ from a full state vector, weighting ±1 by |amplitude|²
function z_expval_from_state(ψ::AbstractVector{<:Complex}, qubit::Int, n::Int)
    s = 0.0
    for b in 0:2^n-1
        bit = bit_at(b, qubit)
        s += (1 - 2bit) * abs2(ψ[b+1])
    end
    return s
end

classical_magnetizations = [z_expval_from_state(sol.u[r+1], q, N)
                             for r in 0:r_max, q in 1:N]

11×20 Matrix{Float64}:
 -1.0       1.0       -1.0       1.0       …  1.0       -1.0       1.0
 -0.995021  0.995034  -0.995034  0.995034     0.995034  -0.995034  0.995021
 -0.980189  0.980386  -0.980386  0.980386     0.980386  -0.980386  0.980189
 -0.955994  0.956968  -0.956968  0.956968     0.956968  -0.956968  0.955994
 -0.922667  0.925652  -0.925653  0.925653     0.925653  -0.925652  0.922667
 -0.881106  0.888117  -0.88812   0.88812   …  0.88812   -0.888117  0.881106
 -0.832251  0.846116  -0.846129  0.846129     0.846129  -0.846116  0.832251
 -0.776957  0.801257  -0.801298  0.801298     0.801298  -0.801257  0.776957
 -0.715858  0.754749  -0.75486   0.75486      0.75486   -0.754749  0.715858
 -0.649744  0.707628  -0.707895  0.707895     0.707895  -0.707628  0.649744
 -0.580117  0.661272  -0.661841  0.661842  …  0.661841  -0.661272  0.580117

トロッター化された回路の小規模シミュレーション

以下では、TensorNetworkQuantumSimulator.jl がサポートするテンソルネットワーク法を用いて、ノイズのない回路の古典シミュレーションを行い、回路の構築が正しいことを検証します。これらの手法は、量子ハードウェアの結果と比較するための基準となります。

まず、named_grid((N,)) を使って格子を1次元鎖グラフとして定義します。各頂点はタプル (i,) です。次に、回路のゲートをタプル (gate_name, qubit_indices, gate_parameter) のリストとして指定します。これがテンソルネットワーク・シミュレーターの入力形式になります。

# 1D chain graph — vertices are named (1,), (2,), ..., (N,)
g = named_grid((N,))

# Gates to prepare Néel state |0101…⟩, X on every other site
neel_state_gates(n::Int) = [("X", [(i,)]) for i in 1:2:n]

# Gates for one second-order Trotter step of size δt
trotter_step_gates(h::AbstractVector{<:Real}, J::AbstractVector{<:Real}, n::Int, δt::Real) = vcat(
    [("Rx",  [(i,)],         h[i] * δt) for i in 1:n],
    [("Rzz", [(i,), (i+1,)], 2 * J[i] * δt) for i in 1:n-1],
    [("Rx",  [(i,)],         h[i] * δt) for i in 1:n])

# Make a list of gates: Néel state preparation followed by n_trotter_steps Trotter steps
function make_trotter_circuit_tn(h::AbstractVector{<:Real}, J::AbstractVector{<:Real}, n::Int, δt::Real,
                                 n_trotter_steps::Int)
    circuit = []

    # Neel state initialization
    append!(circuit, neel_state_gates(n))

    for _ in 1:n_trotter_steps
        append!(circuit, trotter_step_gates(h, J, n, δt))
    end

    return circuit
end

make_trotter_circuit_tn (generic function with 1 method)

テンソルネットワークの縮約には、ビリーフ・プロパゲーション・アルゴリズムを使用します。この手法はエンタングルメントが限られた回路には効率的ですが、回路の深さとともにエンタングルメントが増大すると精度が低下します。maxdim と cutoff パラメーターは、精度と計算コストのトレードオフを制御します。同様に、後で比較するために各サイトの磁化を計算します。

apply_kwargs = (; maxdim=32, cutoff=1e-10, normalize_tensors=true)
tn_magnetizations = zeros(r_max+1, N)

# |↑↑…↑⟩ product state, wrapped in a belief propagation cache
tn_initial_state(g::NamedGraph) = BeliefPropagationCache(
    tensornetworkstate(ComplexF32, v -> "↑", g, "S=1/2"))

# Apply a gate list to a TN state; returns the evolved state and the
# truncation fidelity, such as ∏(1 - ε) over all gate applications
function apply_gates_to_tn_state(circuit::Vector, ψ_bpc::BeliefPropagationCache; apply_kwargs::NamedTuple)
    ψ_bpc, errs = apply_gates(circuit, ψ_bpc; apply_kwargs)
    return ψ_bpc, prod(1.0 .- errs)
end

# ⟨Z_q⟩ on every site of a tensor-network state
z_expvals_from_tn_state(ψ_bpc::BeliefPropagationCache, n::Int) =
    [real(expect(ψ_bpc, [("Z", [(q,)])])[1]) for q in 1:n]

for r in 0:r_max
    circuit = make_trotter_circuit_tn(h, J, N, δt, r)
    ψ_bpc, fidelity = apply_gates_to_tn_state(circuit, tn_initial_state(g); apply_kwargs)
    println("fidelity at Trotter step $(r) was $(fidelity)")
    tn_magnetizations[r+1, :] = z_expvals_from_tn_state(ψ_bpc, N)
end

fidelity at Trotter step 0 was 1.0
fidelity at Trotter step 1 was 1.0
fidelity at Trotter step 2 was 1.0
fidelity at Trotter step 3 was 0.9999999999999679
fidelity at Trotter step 4 was 0.9999999999976941
fidelity at Trotter step 5 was 0.9999999999476229
fidelity at Trotter step 6 was 0.9999999993741544
fidelity at Trotter step 7 was 0.9999999993647009
fidelity at Trotter step 8 was 0.9999999992323603
fidelity at Trotter step 9 was 0.9999999980892764
fidelity at Trotter step 10 was 0.9999999980892698

ステップ 1: 古典的な入力を量子問題にマッピングする

ここで、Qiskit.jl を使ってトロッター化された時間発展回路を構築します。この回路はテンソルネットワーク版と対応しており、ネール状態を初期化し、 $R_x$ ゲートと $R_{ZZ}$ ゲートによる $r$ 回のトロッターステップを適用して、最後にすべてのキュービットを Z 基底で測定します。

function make_trotter_circuit(h::AbstractVector{<:Real}, J::AbstractVector{<:Real}, n::Int, δt::Real, n_trotter_steps::Int)
    qc = QuantumCircuit(n, n)

    # Neel state initialization
    for i in 1:2:n
        x!(qc, i)
    end

    # Trotter evolution
    for _ in 1:n_trotter_steps
        for i in 1:n
            rx!(qc, h[i] * δt, i)
        end

        for i in 1:n-1
            rzz!(qc, 2* J[i] * δt, i, i+1)
        end

        for i in 1:n
            rx!(qc, h[i] * δt, i)
        end
    end

    # measure in Z basis
    for i in 1:n
        measure!(qc, i, i)
    end
    return qc
end

qc = make_trotter_circuit(h, J, N, δt, 1)

QuantumCircuit with 20 qubits, 20 clbits
  instructions: 89

トロッターステップ 0 から 10 までの回路のリストを作成します。これは時間 $\tau = 0, \delta t, 2\delta t, \ldots, 10\delta t$ の発展に対応します。

# prepare a list of circuits with different Trotter steps
qc_list = [make_trotter_circuit(h, J, N, δt, r) for r in 0:r_max]

11-element Vector{QuantumCircuit}:
 QuantumCircuit(20, 20; 30 instructions)
 QuantumCircuit(20, 20; 89 instructions)
 QuantumCircuit(20, 20; 148 instructions)
 QuantumCircuit(20, 20; 207 instructions)
 QuantumCircuit(20, 20; 266 instructions)
 QuantumCircuit(20, 20; 325 instructions)
 QuantumCircuit(20, 20; 384 instructions)
 QuantumCircuit(20, 20; 443 instructions)
 QuantumCircuit(20, 20; 502 instructions)
 QuantumCircuit(20, 20; 561 instructions)
 QuantumCircuit(20, 20; 620 instructions)

ステップ 2: 量子ハードウェアでの実行に向けて問題を最適化する

量子ハードウェアで実行するには、まず回路をトランスパイルする必要があります。これには次のステップが含まれます。回路をマッピングする物理キュービットの集合を選択し、ゲートをバックエンドのネイティブ命令セットに再コンパイルし、結果の回路の深さを最適化します。least_busy() を使って最も空いている利用可能なバックエンドを自動的に選択し、target_from_backend() でそのネイティブゲートセットとキュービットの接続性を取得し、transpile() でコンパイルを実行します。

service = Service()
search_results = backend_search(service)
backend = least_busy(search_results)
@show backend.name

backend.name = "ibm_phoenix"

"ibm_phoenix"

target = target_from_backend(backend, service)

Target with 120 qubits
  instructions: 8

tqc_list = [transpile(qc, target)[1] for qc in qc_list]

11-element Vector{QuantumCircuit}:
 QuantumCircuit(120, 20; 30 instructions)
 QuantumCircuit(120, 20; 211 instructions)
 QuantumCircuit(120, 20; 344 instructions)
 QuantumCircuit(120, 20; 475 instructions)
 QuantumCircuit(120, 20; 606 instructions)
 QuantumCircuit(120, 20; 737 instructions)
 QuantumCircuit(120, 20; 868 instructions)
 QuantumCircuit(120, 20; 999 instructions)
 QuantumCircuit(120, 20; 1130 instructions)
 QuantumCircuit(120, 20; 1261 instructions)
 QuantumCircuit(120, 20; 1392 instructions)

トランスパイル後、コンパイルされた回路の2つの性質を確認します。get_circuit_layout() は、回路に対して選択された物理キュービットのインデックスの集合を返します。two_qubit_depth() は2キュービットゲートの深さ、つまり回路内の2キュービット演算の最長の連鎖の長さを計算します。これはハードウェア上でのノイズの蓄積を示す有用な指標です。

function get_circuit_layout(tqc::QuantumCircuit)
    return Set(q for inst in tqc.data for q in inst.qubits)
end

get_circuit_layout(tqc_list[2])

Set{Int64} with 20 elements:
  35
  110
  58
  12
  24
  37
  23
  22
  47
  69
  36
  80
  109
  90
  57
  34
  13
  59
  70
  100

以下では、各トロッターステップでの2キュービットゲート数と回路の深さを出力します。予想どおり、どちらもステップ数に比例して増加します。なお、分数の $R_\mathrm{ZZ}$ ゲートは、現時点では C API では利用できません（qiskit-ibm-runtime-c#29 を参照）。その結果、各 RZZGate は1つではなく2つの2キュービットゲートにトランスパイルされ、2キュービットゲート数が増加します。

two_qubit_count(qc::QuantumCircuit) = count(inst -> length(inst.qubits) == 2, qc.data)

function two_qubit_depth(qc::QuantumCircuit)
    qubit_depth = Dict{Int,Int}()
    for inst in qc.data
        length(inst.qubits) == 2 || continue   # skip non-two-qubit gates
        d = maximum(get(qubit_depth, q, 0) for q in inst.qubits)
        for q in inst.qubits
            qubit_depth[q] = d + 1
        end
    end
    return isempty(qubit_depth) ? 0 : maximum(values(qubit_depth))
end

for (i, tqc) in enumerate(tqc_list)
    println("r=$(i-1): 2q gate count=$(two_qubit_count(tqc)), 2q gate depth=$(two_qubit_depth(tqc))")
end

r=0: 2q gate count=0, 2q gate depth=0
r=1: 2q gate count=38, 2q gate depth=38
r=2: 2q gate count=76, 2q gate depth=42
r=3: 2q gate count=114, 2q gate depth=46
r=4: 2q gate count=152, 2q gate depth=50
r=5: 2q gate count=190, 2q gate depth=54
r=6: 2q gate count=228, 2q gate depth=58
r=7: 2q gate count=266, 2q gate depth=62
r=8: 2q gate count=304, 2q gate depth=66
r=9: 2q gate count=342, 2q gate depth=70
r=10: 2q gate count=380, 2q gate depth=74

ステップ 3: Qiskit プリミティブを使って実行する

これで、トランスパイルした回路を、shots を指定した Sampler ジョブとしてバックエンドに送信できます。

shots = 1024
job_list = [run_sampler_job(service, backend, tqc, shots) for tqc in tqc_list]

11-element Vector{QiskitIBMRuntime.Job}:
 QiskitIBMRuntime.Job(Ptr{QiskitIBMRuntime.LibQiskitIBMRuntime.Job} @0x00000003427f72f0)
 QiskitIBMRuntime.Job(Ptr{QiskitIBMRuntime.LibQiskitIBMRuntime.Job} @0x00000004b2d1b4e0)
 QiskitIBMRuntime.Job(Ptr{QiskitIBMRuntime.LibQiskitIBMRuntime.Job} @0x00000004b2dcb180)
 QiskitIBMRuntime.Job(Ptr{QiskitIBMRuntime.LibQiskitIBMRuntime.Job} @0x00000004b1e24840)
 QiskitIBMRuntime.Job(Ptr{QiskitIBMRuntime.LibQiskitIBMRuntime.Job} @0x00000004b266e640)
 QiskitIBMRuntime.Job(Ptr{QiskitIBMRuntime.LibQiskitIBMRuntime.Job} @0x00000004b2d1b690)
 QiskitIBMRuntime.Job(Ptr{QiskitIBMRuntime.LibQiskitIBMRuntime.Job} @0x0000000104c17980)
 QiskitIBMRuntime.Job(Ptr{QiskitIBMRuntime.LibQiskitIBMRuntime.Job} @0x00000004b315b9b0)
 QiskitIBMRuntime.Job(Ptr{QiskitIBMRuntime.LibQiskitIBMRuntime.Job} @0x0000000104c16090)
 QiskitIBMRuntime.Job(Ptr{QiskitIBMRuntime.LibQiskitIBMRuntime.Job} @0x0000000104c195f0)
 QiskitIBMRuntime.Job(Ptr{QiskitIBMRuntime.LibQiskitIBMRuntime.Job} @0x00000004b2d33f70)

for (i, job) in enumerate(job_list)
    status = get_job_status(job, service)
    println("Job $i: ", status)
end

Job 1: Completed
Job 2: Completed
Job 3: Completed
Job 4: Completed
Job 5: Completed
Job 6: Completed
Job 7: Completed
Job 8: Completed
Job 9: Completed
Job 10: Completed
Job 11: Completed

ジョブが完了したら、その結果を取得できます。get_sampler_job_results 関数は、ジョブが完了するまでブロックすることに注意してください。

all_samples = [get_sampler_job_results(job, service) for job in job_list]

11-element Vector{QiskitIBMRuntime.Samples}:
 [[1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0], [1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0], [1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0], [1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0], [1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0], [1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0], [1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0], [1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0], [1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0], [1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0]  …  [1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0], [1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0], [1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0], [1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0], [1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0], [1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0], [1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0], [1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0], [1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0], [1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0]]
 [[1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 0], [1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0], [1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0], [1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0], [1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0], [1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0], [1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0], [1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0], [1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0], [1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0]  …  [1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0], [1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0], [1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0], [1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0], [1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0], [1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 0], [1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0], [1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0], [1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0], [1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0]]
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 [[0, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 1], [0, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 1], [1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0], [1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0], [1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0], [1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0], [1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0], [1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0], [1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0], [1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0]  …  [1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0], [0, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0], [0, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0], [0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0], [0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 0], [1, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0], [1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0], [1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0], [1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0], [1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0]]
 [[0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 0], [1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0], [0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0], [1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0], [1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 1], [0, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 0], [0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0], [0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 1], [1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 1], [0, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0]  …  [1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 0], [1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0], [0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0], [1, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0], [0, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0], [1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0], [1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0], [1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0], [1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0], [1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 1]]
 [[1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0], [1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0], [1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0], [1, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0], [1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0], [1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0], [1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0], [1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0], [1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0], [1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0]  …  [1, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0], [1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0], [0, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0], [0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0], [1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0], [1, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0], [1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0], [1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0], [0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0], [1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0]]

ステップ 4: 後処理を行い、望ましい古典形式で結果を返す

量子ハードウェアから得られたビット列サンプルから、すべてのショットにわたって $(-1)^{b_i}$ を平均することで、サイトごとの磁化（単一キュービットの $\langle Z\rangle$ 期待値）を計算します。ここで $b_i$ はキュービット $i$ の測定ビットです。次に、キュービットとトロッターステップにわたる磁化をヒートマップとしてプロットし、厳密な古典シミュレーション、ノイズのないテンソルネットワーク・シミュレーション、ハードウェア実行という3つの手法を並べて比較します。

# Compute expectation values
# 0 -> 1, 1 -> -1
z_expval(samples, i) = mean((-1)^s[i] for s in samples)

magnetizations = [z_expval(all_samples[i], q) for i in 1:length(all_samples), q in 1:N]

11×20 Matrix{Float64}:
 -0.996094  0.998047  -0.990234  0.998047  …  1.0       -0.988281  0.994141
 -0.925781  0.980469  -0.878906  0.96875      0.970703  -0.976562  0.988281
 -0.916016  0.992188  -0.837891  0.957031     0.962891  -0.966797  0.953125
 -0.884766  0.970703  -0.824219  0.90625      0.908203  -0.939453  0.892578
 -0.835938  0.96875   -0.814453  0.884766     0.931641  -0.902344  0.908203
 -0.777344  0.958984  -0.78125   0.871094  …  0.935547  -0.876953  0.939453
 -0.732422  0.933594  -0.767578  0.8125       0.884766  -0.835938  0.890625
 -0.650391  0.916016  -0.771484  0.771484     0.853516  -0.773438  0.837891
 -0.537109  0.902344  -0.705078  0.742188     0.875     -0.662109  0.833984
 -0.472656  0.923828  -0.652344  0.728516     0.839844  -0.695312  0.808594
 -0.4375    0.923828  -0.613281  0.681641  …  0.890625  -0.658203  0.8125

以下の3つのパネルは、サイト磁化 $\langle Z_i \rangle$ を、キュービットのインデックス（x 軸）とトロッターステップ（y 軸）の関数として示しています。 $\delta t = 0.05$ 、 $r_{\max} = 10$ では、全体の時間発展は $\tau = r_{\max} \cdot \delta t = 0.5$ で、初期の反強磁性パターンがまだ減衰していないほど短いため、3つの手法すべてが強く交互に変化するパターンを示します。古典とテンソルネットワークの結果はここでは非常によく一致しており、このステップ幅ではトロッター誤差が小さいことを裏付けています。ハードウェアの結果は、他の2つの結果をおおむね追従していますが、一部のキュービットはシミュレーションからより大きくずれています。これはバックエンド全体でキュービットの品質にばらつきがあることを反映しています。これらのずれは、回路の深さが増す後のトロッターステップで大きくなります。

# plot magnetization as a function of time
l = @layout [a{0.3w} b{0.3w} c{0.44w}]
plot(
    heatmap(classical_magnetizations, title="Classical", clims=(-1,1), color=:RdBu,
        xlabel="Qubit", ylabel="Trotter steps", colorbar=false),
    heatmap(tn_magnetizations, title="Tensor Network", clims=(-1,1), color=:RdBu,
        xlabel="Qubit", ylabel="Trotter steps", colorbar=false),
    heatmap(magnetizations, title="Hardware", clims=(-1,1), color=:RdBu,
        xlabel="Qubit", ylabel="Trotter steps", colorbar=true),
    layout=l, size=(900,300),
    bottom_margin=5mm, left_margin=5mm, right_margin=6mm
)

Output of the previous code cell

大規模ハードウェアの例

ステップ 1〜4 を1つのワークフローにまとめる

ここでは、上記の4つのステップをすべて1つのワークフローにまとめ、厳密な古典シミュレーションでは扱えない規模で実行します。サイトごとに磁化を解析する代わりに、反強磁性秩序を表す単一のスカラー量、スタッガード磁化を追跡します。

\langle M_s \rangle = \frac{1}{N} \sum_{i=1}^{N} (-1)^i \langle Z_i \rangle

和における交互の符号により、信号が見えるようになります。ネール初期状態 $|0101\ldots01\rangle$ では、すべての項が $+1$ を寄与するため $\langle M_s\rangle = 1$ となりますが、単純平均 $\frac{1}{N}\sum_i \langle Z_i\rangle$ はすべての $t$ で恒等的に 0 になります。横磁場が交互のパターンを乱すにつれて、 $\langle M_s\rangle$ は $0$ に向かって減衰します。したがって、スタッガード磁化は、時間発展の間に初期の秩序がどの程度残っているかを示します。

この例では、トロッターステップ幅が精度にどのように影響するかも調べます。全体の時間発展を $T = 1.5$ に固定し、トロッターステップ数を $r \in \{3, 6, 12\}$ と変化させます。したがって $\delta t = T/r$ です。ハードウェアでは2つの誤差要因が競合します。 $\delta t$ を小さくするとトロッター誤差は減りますが、それに比例して多くの2キュービットゲートが必要になり、ハードウェアのノイズがより多く蓄積します。

# -------------------------Step 1-------------------------
# Map classical inputs to a quantum problem.
N_large = 100
g_large = named_grid((N_large,))
h_large = fill(1.0, N_large)       # transverse field on every site
J_large = fill(1.0, N_large - 1)   # nearest-neighbor ZZ couplings on the chain

T_total = 1.5                    # fixed total evolution time
r_list = [3, 6, 12]       # varying Trotter steps; δt = T_total/r
sweep = [(r, k) for r in r_list for k in 0:r]

qc_list_large = [make_trotter_circuit(h_large, J_large, N_large, T_total/r, k)
                 for (r, k) in sweep]

# -------------------------Step 2-------------------------
# Optimize the problem for quantum hardware execution.
tqc_list_large = [transpile(qc, target)[1] for qc in qc_list_large]
# Print the 2q gate count and depth of the deepest circuit at each δt",
for r in r_list
    i = findfirst(==((r, r)), sweep)   # the k = r circuit reaches the full T_total
    println("  δt = $(round(T_total/r, digits=4))  →  $(r+1) time points, ",
        "deepest circuit = $(r) Trotter steps, ",
        "2q count = $(two_qubit_count(tqc_list_large[i])), ",
        "2q depth = $(two_qubit_depth(tqc_list_large[i]))")
end

# -------------------------Step 3-------------------------
# Execute using Qiskit primitives.
shots_large = 4096

job_list_large = [run_sampler_job(service, backend, tqc, shots_large)
                  for tqc in tqc_list_large]

δt = 0.5  →  4 time points, deepest circuit = 3 Trotter steps, 2q count = 594, 2q depth = 206
  δt = 0.25  →  7 time points, deepest circuit = 6 Trotter steps, 2q count = 1188, 2q depth = 218
  δt = 0.125  →  13 time points, deepest circuit = 12 Trotter steps, 2q count = 2376, 2q depth = 242

24-element Vector{QiskitIBMRuntime.Job}:
 QiskitIBMRuntime.Job(Ptr{QiskitIBMRuntime.LibQiskitIBMRuntime.Job} @0x0000000104c1a750)
 QiskitIBMRuntime.Job(Ptr{QiskitIBMRuntime.LibQiskitIBMRuntime.Job} @0x0000000102e0a270)
 QiskitIBMRuntime.Job(Ptr{QiskitIBMRuntime.LibQiskitIBMRuntime.Job} @0x0000000104c21a50)
 QiskitIBMRuntime.Job(Ptr{QiskitIBMRuntime.LibQiskitIBMRuntime.Job} @0x0000000102e05120)
 QiskitIBMRuntime.Job(Ptr{QiskitIBMRuntime.LibQiskitIBMRuntime.Job} @0x0000000104c2a6e0)
 QiskitIBMRuntime.Job(Ptr{QiskitIBMRuntime.LibQiskitIBMRuntime.Job} @0x0000000102e0d140)
 QiskitIBMRuntime.Job(Ptr{QiskitIBMRuntime.LibQiskitIBMRuntime.Job} @0x0000000102e0b640)
 QiskitIBMRuntime.Job(Ptr{QiskitIBMRuntime.LibQiskitIBMRuntime.Job} @0x0000000104c1a200)
 QiskitIBMRuntime.Job(Ptr{QiskitIBMRuntime.LibQiskitIBMRuntime.Job} @0x00000004b312eb90)
 QiskitIBMRuntime.Job(Ptr{QiskitIBMRuntime.LibQiskitIBMRuntime.Job} @0x0000000104c22060)
 QiskitIBMRuntime.Job(Ptr{QiskitIBMRuntime.LibQiskitIBMRuntime.Job} @0x00000004b31ea4e0)
 QiskitIBMRuntime.Job(Ptr{QiskitIBMRuntime.LibQiskitIBMRuntime.Job} @0x0000000104c1ccf0)
 QiskitIBMRuntime.Job(Ptr{QiskitIBMRuntime.LibQiskitIBMRuntime.Job} @0x0000000104c2af50)
 QiskitIBMRuntime.Job(Ptr{QiskitIBMRuntime.LibQiskitIBMRuntime.Job} @0x00000004b312ffb0)
 QiskitIBMRuntime.Job(Ptr{QiskitIBMRuntime.LibQiskitIBMRuntime.Job} @0x00000004b0e89700)
 QiskitIBMRuntime.Job(Ptr{QiskitIBMRuntime.LibQiskitIBMRuntime.Job} @0x0000000102e15070)
 QiskitIBMRuntime.Job(Ptr{QiskitIBMRuntime.LibQiskitIBMRuntime.Job} @0x0000000102e10d40)
 QiskitIBMRuntime.Job(Ptr{QiskitIBMRuntime.LibQiskitIBMRuntime.Job} @0x00000004af5a5d10)
 QiskitIBMRuntime.Job(Ptr{QiskitIBMRuntime.LibQiskitIBMRuntime.Job} @0x0000000102e12500)
 QiskitIBMRuntime.Job(Ptr{QiskitIBMRuntime.LibQiskitIBMRuntime.Job} @0x0000000102e14870)
 QiskitIBMRuntime.Job(Ptr{QiskitIBMRuntime.LibQiskitIBMRuntime.Job} @0x0000000102e10730)
 QiskitIBMRuntime.Job(Ptr{QiskitIBMRuntime.LibQiskitIBMRuntime.Job} @0x00000004b237ca60)
 QiskitIBMRuntime.Job(Ptr{QiskitIBMRuntime.LibQiskitIBMRuntime.Job} @0x00000004b2c713a0)
 QiskitIBMRuntime.Job(Ptr{QiskitIBMRuntime.LibQiskitIBMRuntime.Job} @0x0000000102e13e90)

# Run this cell to check the job status
# Run the following cell for post-processing after all jobs complete
for (i, job) in enumerate(job_list_large)
    r, k = sweep[i]
    println("Job $i (δt=$(round(T_total/r, digits=4)), k=$k): ",
            get_job_status(job, service))
end

Job 1 (δt=0.5, k=0): Completed
Job 2 (δt=0.5, k=1): Completed
Job 3 (δt=0.5, k=2): Completed
Job 4 (δt=0.5, k=3): Completed
Job 5 (δt=0.25, k=0): Completed
Job 6 (δt=0.25, k=1): Completed
Job 7 (δt=0.25, k=2): Completed
Job 8 (δt=0.25, k=3): Completed
Job 9 (δt=0.25, k=4): Completed
Job 10 (δt=0.25, k=5): Completed
Job 11 (δt=0.25, k=6): Completed
Job 12 (δt=0.125, k=0): Completed
Job 13 (δt=0.125, k=1): Completed
Job 14 (δt=0.125, k=2): Completed
Job 15 (δt=0.125, k=3): Completed
Job 16 (δt=0.125, k=4): Completed
Job 17 (δt=0.125, k=5): Completed
Job 18 (δt=0.125, k=6): Completed
Job 19 (δt=0.125, k=7): Completed
Job 20 (δt=0.125, k=8): Completed
Job 21 (δt=0.125, k=9): Completed
Job 22 (δt=0.125, k=10): Completed
Job 23 (δt=0.125, k=11): Completed
Job 24 (δt=0.125, k=12): Completed

# -------------------------Step 4-------------------------
# Post-process and return the result in the desired classical format.
# Run this cell after all jobs are completed

# ⟨M_s⟩ = (1/N) Σ (-1)^i ⟨Z_i⟩, averaged over hardware shots
function staggered_magnetization(samples::AbstractVector{<:AbstractVector}, n::Int)
    s = 0.0
    for sample in samples
        s += sum((-1)^i * (1 - 2 * sample[i]) for i in 1:n) / n
    end
    return s / length(samples)
end

all_samples_large = [get_sampler_job_results(job, service) for job in job_list_large]
mags_hardware = [staggered_magnetization(s, N_large) for s in all_samples_large]

24-element Vector{Float64}:
9880371093750097
697231445312484
44886718750000276
29333496093750067
9882324218750095
8109619140625324
6457958984374791
4808593749999992
36695312500000055
2963671875000012
23831542968750055
9884472656250093
8566455078125492
7951171875000282
7050732421874865
610673828124981
529980468749995
4656054687500018
4149316406250024
3799462890625011
35178710937500185
3185888671875003
31287597656250016
29621093750000077

$N=100$ では、上で使用した ODE ソルバーによる厳密解は手が届きません。状態ベクトルだけで $2^{100} \approx 10^{30}$ 個の振幅が必要になるためです。代わりに、同じ1次元鎖に対して、はるかに細かいトロッターステップ（ $r = 96$ 、 $\delta t \approx 0.016$ ）を用いたノイズのないテンソルネットワーク・シミュレーションを基準として使用します。このステップ幅では、トロッター誤差はハードウェアで実行するどの $\delta t$ と比べても無視できます。この基準自体も近似であり、その主な誤差は先に説明した結合次元の切り捨てで、各実行について切り捨て忠実度として報告されます。

apply_kwargs = (; maxdim=64, cutoff=1e-10, normalize_tensors=true)

# Calculate the staggered magnetization given a tensor network state
staggered_magnetization(ψ_bpc::BeliefPropagationCache, n::Int) =
    sum((-1)^q * m for (q, m) in enumerate(z_expvals_from_tn_state(ψ_bpc, n))) / n

# Evolve a TN state and record the staggered magnetization at each step.
function compute_staggered_magnetization_tn(δt::Real, nsteps::Int; record_every::Int = 1)
    init_gates = neel_state_gates(N_large)
    step_gates = trotter_step_gates(h_large, J_large, N_large, δt)

    ψ_bpc, fid = apply_gates_to_tn_state(init_gates, tn_initial_state(g_large); apply_kwargs)
    times = [0.0]
    mags = [staggered_magnetization(ψ_bpc, N_large)]
    for k in 1:nsteps
        ψ_bpc, fid_step = apply_gates_to_tn_state(step_gates, ψ_bpc; apply_kwargs)
        fid *= fid_step
        if k % record_every == 0
            push!(times, k * δt)
            push!(mags, staggered_magnetization(ψ_bpc, N_large))
        end
    end
    println("  δt=$(round(δt, digits=5)), $(nsteps) steps: truncation fidelity ≈ $(round(fid, digits=5))")
    (times, mags)
end

# If the fidelity drifts from 1, raise `maxdim` in `apply_kwargs`.
# Under current setting, the tensor network simulation takes ~ 3 minutes on a laptop.
println("Tensor-network reference:")
r_ref = 96
times_ref, mags_ref = compute_staggered_magnetization_tn(T_total / r_ref, r_ref; record_every = r_ref ÷ 12)

Tensor-network reference:
  δt=0.01562, 96 steps: truncation fidelity ≈ 1.0

([0.0, 0.125, 0.25, 0.375, 0.5, 0.625, 0.75, 0.875, 1.0, 1.125, 1.25, 1.375, 1.5], Float32[1.0, 0.9695576, 0.8870231, 0.77430177, 0.6560442, 0.5499543, 0.46285573, 0.39298016, 0.33518773, 0.28527063, 0.24147007, 0.20369667, 0.17206171])

以下のプロットは、3種類のトロッターステップ幅におけるスタッガード磁化の時間変化を、ノイズのないテンソルネットワークの基準（黒の破線）と比較して示しています。

plt = plot(xlabel = "Time", ylabel = "Staggered magnetization",
    title = "N = $(N_large) on $(backend.name), T = $(T_total)",
    legend = :topright, ylims = (-0.05, 1.05), size = (820, 480),
    bottom_margin = 5mm, left_margin = 5mm)

# Plot tensor network reference
plot!(plt, times_ref, mags_ref, lw = 2, ls = :dash, color = :black,
      label = "tensor network, δt → 0")

# Plot hardware result per Trotter step size
for (r, stop) in zip(r_list, cumsum(r_list .+ 1))
    plot!(plt, range(0, T_total, length = r + 1), mags_hardware[(stop - r):stop],
          marker = :circle, markersize = 4, lw = 2,
          label = "hardware, δt = $(round(T_total / r, digits = 4))")
end
plt

Output of the previous code cell

全体として、最も粗いトロッターステップ $\delta t = 0.5$ （オレンジのドット）は、テンソルネットワークの基準からのずれが最も大きく、おそらくトロッター誤差が大きく寄与しています。より細かいステップ $\delta t = 0.25$ （緑のドット）では、ハードウェアの結果は基準とより近く一致します。最も細かいステップ $\delta t = 0.125$ （紫のドット）ではトロッター誤差は最小ですが、一致の度合いは $\delta t = 0.25$ の場合より悪くなっています。ステップ幅が半分になると、各時間点で必要な2キュービットゲートが2倍になり、追加されるノイズがトロッター誤差の低減分を上回ります。したがって、ハードウェア上でトロッター化された回路の $\delta t$ を選ぶことは、トロッター誤差と、追加のゲートによって蓄積するノイズとの間のトレードオフになります。

次のステップ

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学習内容​

前提条件​

背景​

要件​

セットアップ​

小規模シミュレーターの例​

厳密解​

トロッター化された回路の小規模シミュレーション​

ステップ 1: 古典的な入力を量子問題にマッピングする​

ステップ 2: 量子ハードウェアでの実行に向けて問題を最適化する​

ステップ 3: Qiskit プリミティブを使って実行する​

ステップ 4: 後処理を行い、望ましい古典形式で結果を返す​

大規模ハードウェアの例​

ステップ 1〜4 を1つのワークフローにまとめる​

次のステップ​