Как отправить схему с помощью Cirq в Azure Quantum

Узнайте, как отправить квантовую схему Cirq, используя пакет azure-quantumPython. Вы можете отправлять электрические цепи Cirq в Azure Quantum, используя записную книжку Azure Quantum с встроенным пакетом azure-quantumPython, или с вашего локального компьютера.

Дополнительные сведения см. в разделе Квантовые цепи.

Предварительные условия

Дополнительные сведения об установке см. в разделе Настройка расширения QDK.

• Рабочая область Azure Quantum в вашей подписке Azure. Сведения о создании рабочей области см. в статье Создание рабочей области Azure Quantum.

• Среда с установленными PythonPython и программой Pip.

• VS Code с установленными расширениями Azure Quantum Development Kit, Python, и Jupyter.

• Пакет Azure Quantum azure-quantum с тегом [cirq], а также пакеты qsharp и ipykernel.

  python -m pip install --upgrade azure-quantum[cirq] qsharp ipykernel 
  

  Примечание.

  Если ядро Python Jupyter ipykernel не обнаружено, VS Code предложит установить его.

Создать новую тетрадь Jupyter

1. В Visual Studio Code выберите команду > и затем выберите Create: New Jupyter Notebook.
2. В правом верхнем углу VS Code обнаружит и отобразит версию Python и виртуальной среды Python, выбранной для записной книжки. Если у вас несколько Python сред, может потребоваться выбрать ядро с помощью средства выбора ядра в правом верхнем углу. Если среда не была обнаружена, смотрите информацию о настройке в записных книжках Jupyter в VS Code.

Загрузка необходимых объектов импорта

В первой ячейке записной книжки выполните следующий код, чтобы загрузить необходимые импорты:

import azure.quantum
from azure.quantum.cirq import AzureQuantumService

Подключение к службе Azure Quantum

Для подключения к службе Azure Quantum программе потребуются идентификатор ресурса и расположение рабочей области Azure Quantum.

1. Вход в учетную запись Azure, https://portal.azure.com

2. Выберите рабочую область Azure Quantum и перейдите к обзору.

3. Скопируйте параметры в полях.

   

Добавьте новую ячейку и используйте сведения об учетной записи для создания объектов Workspace и AzureQuantumService для подключения к рабочей области Azure Quantum.

workspace = Workspace(  
    resource_id = "", # Add the resourceID of your workspace
    location = "" # Add the location of your workspace (for example "westus")
    )

service = AzureQuantumService(workspace)

Список всех targets

Используйте метод targets(), чтобы перечислить все targets в вашей рабочей области, которые могут запускать вашу схему, включая текущее время ожидания в очереди и доступность.

Примечание.

В вашей рабочей области могут быть не указаны все targets — будут перечислены только те targets, которые могут принимать схему Cirq или OpenQASM.

print(service.targets())

[<Target name="quantinuum.qpu.h1-1", avg. queue time=0 s, Degraded>,
<Target name="quantinuum.sim.h1-1sc", avg. queue time=1 s, Available>,
<Target name="quantinuum.sim.h1-1e", avg. queue time=40 s, Available>,
<Target name="ionq.simulator", avg. queue time=3 s, Available>,
<Target name="ionq.qpu.aria-1", avg. queue time=1136774 s, Available>]

Создайте простую схему

Затем создайте простую цепь Cirq для выполнения. Эта цепь использует квадратный корень из гейта X, встроенного в аппаратную систему IonQ.

import cirq

q0, q1 = cirq.LineQubit.range(2)
circuit = cirq.Circuit(
    cirq.X(q0)**0.5,             # Square root of X
    cirq.CX(q0, q1),              # CNOT
    cirq.measure(q0, q1, key='b') # Measure both qubits
)
print(circuit)

0: ───X^0.5───@───M────────
              │   │
1: ───────────X───M────────

Выберите target, чтобы запустить вашу программу

ИонQ

Запуск в симуляторе IonQ

Теперь можно запустить программу через службу Azure Quantum и получить результат. Следующая ячейка отправляет задание (на симулятор IonQ по умолчанию), которое запускает цепь со 100 снимками, ждет завершения задания и возвращает результаты.

result = service.run(program=circuit, repetitions=100, target="ionq.simulator")

Возвращается объект cirq.Result.

print(result)

    b=1001100101100001000011011101000011010100010111100011001000100100010000001110010010101110110000011010, 1001100101100001000011011101000011010100010111100011001000100100010000001110010010101110110000011010

Оценка стоимости задания

Перед выполнением задания на ЦП необходимо оценить, сколько будет стоить выполнение.

Актуальные сведения о ценах см. в статье Цены на IonQ, либо найдите рабочую область и просмотрите параметры ценообразования на вкладке "Поставщик" вашего рабочего пространства на сайте: aka.ms/aq/myworkspaces.

Запуск на IonQ QPU

Предыдущее задание выполнялось в симуляторе по умолчанию "ionq.simulator". Однако его также можно запустить на аппаратном процессоре IonQ (единице квантового процессора (QPU)). Для выполнения на QPU IonQ укажите "ionq.qpu.aria-1" в качестве аргумента target:

result = service.run(
    program=circuit,
    repetitions=100,
    target="ionq.qpu.aria-1",
    timeout_seconds=500 # Set timeout to accommodate queue time on QPU
)

Снова возвращается объект cirq.Result.

print(result)

b=0101011011011111100001011101101011011110100010000000011110111000100100110110101100110001001111101111, 0101011011011111100001011101101011011110100010000000011110111000100100110110101100110001001111101111

Асинхронная модель, использующая задания

Асинхронное выполнение длительных схем может быть полезным. Метод service.create_job возвращает объект Job, который можно использовать для получения результатов после успешного выполнения задания.

job = service.create_job(
    program=circuit,
    repetitions=100,
    target="ionq.simulator"
)

Чтобы проверить состояние задания, используйте job.status():

print(job.status())

'completed'

Чтобы дождаться завершения задания, а затем получить результаты, используйте блокирующий вызов job.results():

result = job.results()
print(result)

00: 0.5
11: 0.5

Обратите внимание, что объект cirq.Result при этом не возвращается. Вместо этого возвращается результирующий объект, относящийся к симулятору IonQ; при этом вместо данных снимков используются вероятности состояния.

type(result)

cirq_ionq.results.SimulatorResult

Чтобы преобразовать его в объект cirq.Result, используйте result.to_cirq_result():

print(result.to_cirq_result())

b=1110101111111110111000011101011111001100010000001011011101001111001111001101100111010000001100011100, 1110101111111110111000011101011111001100010000001011011101001111001111001101100111010000001100011100

Квантинум

Запуск в симуляторе Quantinuum

Теперь можно запустить программу через службу Azure Quantum и получить результат. Следующая ячейка отправляет задание, которое запускает цепь со 100 снимками, ждет завершения задания и возвращает результаты.

result = service.run(program=circuit, repetitions=100, target="quantinuum.sim.h1-1sc")

Возвращается объект cirq.Result.

print(result)

    b=0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000

Результаты можно представить в виде гистограммы:

import pylab as pl

pl.hist(result.data)
pl.ylabel("Counts")
pl.xlabel("Result")

На гистограмме показано, что генератор случайных чисел возвращает 0 каждый раз, что не является случайным результатом. Это связано с тем, что валидатор API гарантирует возможность успешно выполнить код оборудовании Quantinuum, но возвращает 0 для всех квантовых измерений. Для генератора по-настоящему случайных чисел необходимо запустить цепь на квантовом оборудовании.

Оценка стоимости задания

Перед выполнением задания на ЦП необходимо оценить, сколько будет стоить выполнение.

Дополнительные сведения о ценах см. в разделе "Цены на Azure Quantum" или найдите рабочую область и просмотрите параметры ценообразования на вкладке "Поставщик" рабочей области с помощью aka.ms/aq/myworkspaces.

Асинхронный рабочий процесс с использованием задач

Асинхронное выполнение длительных схем может быть полезным. Метод service.create_job возвращает объект Job, который можно использовать для получения результатов после успешного выполнения задания.

job = service.create_job(
    program=circuit,
    repetitions=100,
    target="quantinuum.sim.h1-1sc"
)

Чтобы проверить состояние задания, используйте job.status():

print(job.status())

'Waiting'

Чтобы дождаться завершения задания, а затем получить результаты, используйте блокирующий вызов job.results():

result = job.results()
print(result)

    {'m_b': ['00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '00']}

Обратите внимание, что объект cirq.Result при этом не возвращается. Вместо этого он возвращает словарь результатов битового измерения, индексированных ключом измерения.

Предварительные условия

• Учетная запись Azure с активной подпиской. Если у вас нет учетной записи Azure, зарегистрируйтесь бесплатно и зарегистрируйтесь для подписки с оплатой по мере использования.
• Рабочая область Azure Quantum. Дополнительные сведения см. в статье Создание рабочей области Azure Quantum.

Создание записной книжки в рабочей области

1. Войдите на портал Azure и выберите рабочую область, которую вы назначили на предыдущем шаге.
2. В левой панели выберите Записные книжки.
3. Щелкните Мои записные книжки и щелкните Добавить новую.
4. Введите имя файла, например Cirq.ipynb, и щелкните Создать файл.

При открытии новой записной книжки он автоматически создает код для первой ячейки на основе сведений о подписке и рабочей области.

from azure.quantum import Workspace
workspace = Workspace ( 
  resource_id = "", # Add your resource_id 
  location = ""  # Add your workspace location (for example, "westus") 
)

Примечание.

Если не указано иное, следует выполнять ячейки в порядке их создания, чтобы избежать проблем компиляции.

Щелкните треугольную иконку воспроизведения слева от ячейки, чтобы выполнить код.

Загрузка необходимых объектов импорта

Сначала необходимо импортировать дополнительный модуль.

Щелкните + Код, чтобы добавить новую ячейку, а затем добавьте и выполните следующий код:

from azure.quantum.cirq import AzureQuantumService

Подключение к службе Azure Quantum

Затем создайте объект с помощью AzureQuantumService объекта из предыдущей workspace ячейки для подключения к рабочей области Azure Quantum. Добавьте новую ячейку со следующим кодом:

provider = AzureQuantumService(workspace)

Настройка простой цепи

Затем создайте простую цепь Cirq для выполнения. Эта цепь использует квадратный корень из гейта X, встроенного в аппаратную систему IonQ.

import cirq

q0, q1 = cirq.LineQubit.range(2)
circuit = cirq.Circuit(
    cirq.X(q0)**0.5,             # Square root of X
    cirq.CX(q0, q1),              # CNOT
    cirq.measure(q0, q1, key='b') # Measure both qubits
)
print(circuit)

0: ───X^0.5───@───M────────
              │   │
1: ───────────X───M────────

Список всех targets

Используйте метод targets(), чтобы перечислить все targets в вашей рабочей области, которые могут запускать вашу схему, включая текущее время ожидания в очереди и доступность.

Примечание.

В вашей рабочей области могут быть не указаны все targets — будут перечислены только те targets, которые могут принимать схему Cirq или OpenQASM.

print("This workspace's targets:")
for target in service.targets():
     print(target)

This workspace's targets:
<Target name="quantinuum.qpu.h1-1", avg. queue time=0 s, Degraded>
<Target name="quantinuum.sim.h1-1sc", avg. queue time=1 s, Available>
<Target name="quantinuum.sim.h1-1e", avg. queue time=40 s, Available>
<Target name="ionq.simulator", avg. queue time=3 s, Available>
<Target name="ionq.qpu.aria-1", avg. queue time=1136774 s, Available>

Примечание.

Полный список target может отличаться в вашей рабочей области.

Выберите target, чтобы запустить вашу программу

ИонQ

Запуск в симуляторе IonQ

Для проверки цепи перед запуском на реальном квантовом оборудовании можно применить симулятор IonQ ionq.simulator.

Следующая ячейка отправляет задание, которое запускает цепь со 100 снимками, ждет завершения задания и возвращает результаты.

result = service.run(
    program=circuit,
    repetitions=100,
    target="ionq.simulator"
)

Возвращается объект cirq.Result.

print(result)

    b=1001100101100001000011011101000011010100010111100011001000100100010000001110010010101110110000011010, 1001100101100001000011011101000011010100010111100011001000100100010000001110010010101110110000011010

Результаты можно представить в виде гистограммы:

import pylab as pl

pl.hist(result.data)
pl.ylabel("Counts")
pl.xlabel("Result")

Оценка стоимости задания

Перед выполнением задания на фактическом квантовом оборудовании или единице квантовой обработки (QPU) необходимо оценить, сколько будет стоить выполнение.

Актуальные сведения о ценах можно узнать на странице Цены IonQ или в разделе Поставщики для рабочей области.

Запуск на IonQ QPU

Предыдущее задание выполнялось в симуляторе по умолчанию ionq.simulator. Однако его также можно запустить на аппаратном процессоре IonQ (единице квантового процессора (QPU)). Для выполнения на QPU IonQ укажите ionq.qpu.aria-1 в качестве аргумента target:

result = service.run(
    program=circuit,
    repetitions=100,
    target="ionq.qpu.aria-1",
    timeout_seconds=500 # Set timeout to accommodate queue time on QPU
)

Примечание.

Требуемое время для выполнения цепи на QPU зависит от текущего времени ожидания в очереди. Среднее время в очереди target можно просмотреть, выбрав вкладку Поставщики вашей рабочей области.

Снова возвращается объект cirq.Result.

print(result)

    b=1001100101100001000011011101000011010100010111100011001000100100010000001110010010101110110000011010, 1001100101100001000011011101000011010100010111100011001000100100010000001110010010101110110000011010

Асинхронная модель, использующая задания

Асинхронное выполнение длительных схем может быть полезным. Метод service.create_job возвращает объект Job, который можно использовать для получения результатов после успешного выполнения задания.

job = service.create_job(
    program=circuit,
    repetitions=100,
    target="ionq.simulator"
)

Чтобы проверить состояние задания, используйте job.status():

print(job.status())

'completed'

Чтобы дождаться завершения задания, а затем получить результаты, используйте блокирующий вызов job.results():

result = job.results()
print(result)

00: 0.5
11: 0.5

Примечание.

Функция job.results() не возвращает объект cirq.Result. Вместо этого возвращается результирующий объект, относящийся к симулятору IonQ; при этом вместо данных снимков используются вероятности состояния.

type(result)

cirq_ionq.results.SimulatorResult

Чтобы преобразовать его в объект cirq.Result, используйте result.to_cirq_result():

print(result.to_cirq_result())

b=1110101111111110111000011101011111001100010000001011011101001111001111001101100111010000001100011100, 1110101111111110111000011101011111001100010000001011011101001111001111001101100111010000001100011100

Квантинум

Запуск на валидаторе API

Для проверки цепи перед запуском на реальном квантовом оборудовании можно применить валидатор API Quantinuum quantinuum.sim.h1-1sc.

Добавьте следующую ячейку, которая отправляет задание на выполнение цепи со 100 прогонами или повторениями, ожидает завершения задания и возвращает результаты.

result = service.run(
    program=circuit,
    repetitions=100,
    target="quantinuum.sim.h1-1sc"
)

Возвращается объект cirq.Result.

print(result)

    b=0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000

Результаты можно представить в виде гистограммы:

import pylab as pl

pl.hist(result.data)
pl.ylabel("Counts")
pl.xlabel("Result")

На гистограмме показано, что генератор случайных чисел возвращает 0 каждый раз, что не является случайным результатом. Это связано с тем, что валидатор API гарантирует возможность успешно выполнить код оборудовании Quantinuum, но возвращает 0 для всех квантовых измерений. Для генератора по-настоящему случайных чисел необходимо запустить цепь на квантовом оборудовании.

Оценка стоимости задания

Перед выполнением задания на фактическом квантовом оборудовании или единице квантовой обработки (QPU) необходимо оценить, сколько будет стоить выполнение.

Последние сведения о ценах см. в разделе "Цены на Azure Quantum" или просмотр вариантов ценообразования в колонке "Поставщики " рабочей области.

Выполнение на QPU Quantinuum

После успешного запуска на валидаторе API и оценки стоимости QPU переходите к выполнению схемы на физическом оборудовании.

Примечание.

Требуемое время для выполнения цепи на QPU зависит от текущего времени ожидания в очереди. Среднее время в очереди target можно просмотреть, выбрав вкладку Поставщики вашей рабочей области.

Используйте тот же метод run и операции, которые вы ранее применяли для валидатора API, чтобы отправить задание и отобразить результаты:

result = service.run(
    program=circuit,
    repetitions=100,
    target="quantinuum.qpu.h1-1"
)

pl.hist(result.data)
pl.ylabel("Counts")
pl.xlabel("Result")

Теперь можно увидеть, что результаты приблизительно равномерно распределены между 0 и 1.

Асинхронный рабочий процесс с использованием задач

Асинхронное выполнение длительных схем может быть полезным. Метод service.create_job возвращает объект Job, который можно использовать для получения результатов после успешного выполнения задания.

job = service.create_job(
    program=circuit,
    repetitions=100,
    target="quantinuum.qpu.h1-1"
)

Чтобы проверить состояние задания, используйте job.status():

print(job.status())

'Waiting'

Чтобы дождаться завершения задания, а затем получить результаты, используйте блокирующий вызов job.results():

result = job.results()
print(result)

{'m_b': ['11', '11', '00', '11', '00', '00', '00', '00', '11', '00', '00', '11', '00', '00', '00', '00', '11', '11', '11', '00', '11', '00', '00', '11', '11', '11', '11', '00', '00', '00', '00', '00', '00', '11', '11', '00', '11', '00', '11', '11', '00', '00', '00', '11', '11', '00', '00', '11', '11', '11', '00', '00', '11', '11', '11', '11', '00', '00', '11', '11', '00', '11', '11', '00', '00', '00', '11', '11', '11', '11', '11', '00', '00', '11', '00', '11', '11', '11', '11', '00', '11', '00', '00', '00', '01', '11', '11', '00', '00', '11', '11', '11', '11', '00', '00', '00', '11', '00', '11', '00']}

Примечание.

Функция job.results() не возвращает объект cirq.Result. Вместо этого возвращается словарь результатов измерения в виде последовательности битов, индексированных ключом измерения.

Внимание

Отправка нескольких цепей в одном задании в настоящее время не поддерживается. В качестве обходного решения можно вызвать метод backend.run для асинхронной отправки каждой цепи, а затем получить результаты каждого задания. Например:

jobs = []
for circuit in circuits:
    jobs.append(backend.run(circuit, shots=N))

results = []
for job in jobs:
    results.append(job.result())

Связанный контент

• Быстрый старт: отправка схемы с Qiskit в Azure Quantum.
• Краткое руководство: Отправка схемы с форматом, определенным поставщиком, в Azure Quantum.