Simulador quântico esparso

O simulador esparso utiliza uma representação esparsa dos vetores de estado quântico. Um estado quântico esparso é um estado em que a maioria dos coeficientes de amplitude é zero. Representações esparsas permitem que o simulador esparso minimize a área de memória necessária para representar estados quânticos, o que possibilita simulações sobre um número maior de qubits. O simulador esparso é eficiente para programas com estados quânticos que são escassos na base computacional. O simulador esparso permite aos utilizadores explorar aplicações maiores do que um simulador de estado completo porque os simuladores de estado completo desperdiçam memória e tempo num número exponencialmente grande de amplitudes zero.

Para mais informações sobre o simulador esparso, veja Jaques e Häner (arXiv:2105.01533).

Chame o simulador esparso

O simulador esparso é o simulador local predefinido na extensão MicrosoftQuantum Development Kit (QDK) para Visual Studio Code (VS Code). Como utilizar o simulador disperso depende do seu ambiente de desenvolvimento.

Ambiente de desenvolvimento	Como chamar o simulador esparso
Num programa Q# ou OpenQASM em VS Code	Execute o ficheiro Q# ou OpenQASM
Num programa Python com a biblioteca qdk	qsharp.run ou openqasm.run ou qiskit.QSharpBackend
Numa %%qsharp célula de notebook	Chame a operação de entrada do programa, por exemplo: Main()

Adicionar Pauli ruído ao simulador esparso em VS Code

O simulador esparso suporta a adição de Pauli ruído às simulações dos seus Q# programas com a VS Code extensão. Este recurso permite simular os efeitos do ruído em operações e medições quânticas. Para especificar um modelo de ruído no seu programa Q#, use a função ConfigurePauliNoise. A função define probabilidades para que ocorram os operadores Pauli, X, e Y, e o ruído Z. Também pode configurar modelos globais de ruído nas definições da extensão.

Adicionar Pauli ruído usando as VS Code definições

Para definir o ruído geral para programas em , configure a definição de utilizador Simulation: Noise para a extensão .

As definições de ruído aplicam-se aos resultados de histogramas para todas as portas, medições e qubits em todos Q# os programas em VS Code.

Por exemplo, um histograma para o seguinte programa de amostragem em GHz sem ruído configurado mostra um resultado de $\ket{00000}$ para cerca de metade das medições e $\ket{11111}$ para a outra metade.

import Std.Diagnostics.*;
import Std.Measurement.*;

operation Main() : Result []{
    let num = 5;
    return GHzSample(num);
}
operation GHzSample(n: Int) : Result[] {
    use qs = Qubit[n];
    H(qs[0]);
    ApplyCNOTChain(qs);
    let results = MeasureEachZ(qs);
    ResetAll(qs);
    return results;
}

Se adicionares mesmo uma taxa de ruído de 1% bit-flip, os resultados começam a dispersar-se. Com 25% de ruído de inversão de bits, o histograma torna-se indistinguível de um ruído puro.

Adicionar Pauli ruído a programas individuais Q#

Use a ConfigurePauliNoise função para definir ou modificar o modelo de ruído para programas individuais Q# . A ConfigurePauliNoise função dá-lhe controlo sobre quando e onde ocorre ruído nos seus Q# programas.

Observação

Se configurares o ruído nas VS Code definições, o ruído é aplicado a todos os Q# programas. No entanto, a ConfigurePauliNoise função sobrepõe-se às VS Code definições de ruído do programa que chama a função.

Por exemplo, no programa anterior podes adicionar ruído imediatamente após a atribuição dos qubits.

operation GHzSample(n: Int) : Result[] {
    use qs = Qubit[n];

     // 5% bit-flip noise applies to all operations
    ConfigurePauliNoise(0.05, 0.0, 0.0);

    H(qs[0]);
    ApplyCNOTChain(qs);
    let results = MeasureEachZ(qs);
    ResetAll(qs);
    return results;
}

Ou pode adicionar ruído apenas à operação de medição.

operation GHzSample(n: Int) : Result[] {
    use qs = Qubit[n];
    H(qs[0]);
    ApplyCNOTChain(qs);

    // Noise applies to only the measurement operation
    ConfigurePauliNoise(0.05, 0.0, 0.0);

    let results = MeasureEachZ(qs);
    ResetAll(qs);
    return results;
}

Para modificar ou eliminar configurações de ruído em diferentes pontos do seu programa, ligue ConfigurePauliNoise várias vezes. Por exemplo, podes definir 5% de ruído de inversão de bit para a porta de Hadamard e depois definir ausência de ruído para o resto do programa.

operation GHzSample(n: Int) : Result[] {
    use qs = Qubit[n];

    // Noise applies to the H operation
    ConfigurePauliNoise(0.05, 0.0, 0.0);
    
    H(qs[0]);

     // Clear the noise settings
    ConfigurePauliNoise(0.0, 0.0, 0.0);
    
    ApplyCNOTChain(qs);
    let results = MeasureEachZ(qs);
    ResetAll(qs);
    return results;
}

Outras Q# funções de ruído

A ConfigureNoiseFunction função é suficiente para modelar qualquer tipo de Pauli ruído no seu programa, mas Q# tem outras funções de ruído que também pode usar. As seguintes funções estão disponíveis na biblioteca Std.Diagnostics para configurar ruído em programas Q#.

Função	Description	Example
ConfigurePauliNoise	Configura Pauli o ruído para uma execução no simulador. Os parâmetros representam as probabilidades do ruído das portas Pauli X, Y e Z. A configuração de ruído aplica-se a todas as portas, medições e qubits subsequentes de um programa Q#. Anula as definições de ruído da VS Code extensão. Chamadas subsequentes para ConfigurePauliNoise anulam o ruído definido por chamadas anteriores.	ConfigurePauliNoise(0.1, 0.0, 0.5) ou ConfigurePauliNoise(BitFlipNoise(0.1))
BitFlipNoise	Configura apenas o ruído da porta X com a probabilidade especificada.	10% de ruído de inversão de bits: ConfigurePauliNoise(BitFlipNoise(0.1)) $\equiv$ ConfigurePauliNoise(0.1, 0.0, 0.0)
PhaseFlipNoise	Configura apenas o ruído da porta Z com a probabilidade especificada.	10% ruído de inversão de fase ConfigurePauliNoise(PhaseFlipNoise(0.1)) $\equiv$ ConfigurePauliNoise(0.0, 0.0, 0.1)
DepolarizingNoise	Configura o ruído para funcionar como a porta X, Y ou Z com probabilidades iguais.	6% ruído despolarizante: ConfigurePauliNoise(DepolarizingNoise(0.06)) $\equiv$ ConfigurePauliNoise(0.2, 0.2, 0.2)
NoNoise	Redefine o modelo de ruído para que não haja ruído.	ConfigurePauliNoise(NoNoise()) $\equiv$ ConfigurePauliNoise(0.0, 0.0, 0.0)
ApplyIdleNoise	Aplica ruído configurado a um único qubit durante a simulação.	... use q = Qubit[2]; ConfigurePauliNoise(0.1, 0.0, 0.0); ApplyIdleNoise(q[0]); ...