在Python中使用 IBM Qiskit 构建简单的量子电路

Qiskit是一个用于量子计算的开源框架。它提供了用于创建和操作量子程序并在 IBM Q Experience 上的原型量子设备或本地计算机上的模拟器上运行它们的工具。让我们看看我们如何创建简单的 Quantum 电路并在真实的 Quantum 计算机上对其进行测试或在我们的计算机中进行本地模拟。 Python是理解 Quantum 程序的必备先决条件，因为Qiskit本身是使用Python开发的。

在进入主题之前，首先也是最重要的部分是安装Qiskit和Anaconda。有关 anaconda 安装的分步指南，请参阅以下文章。

如何在 Windows 上安装 Anaconda？
如何在 Linux 上安装 Anaconda？

安装

要安装 qiskit，请按照以下步骤操作：

打开 Anaconda 提示并输入

pip install qiskit

就是这样，这将安装所有必要的软件包。
接下来，打开 Jupyter Notebook。
使用以下命令导入 qiskit。

import qiskit

要访问 IBM Quantum Systems：

创建一个免费的 IBM Quantum Experience 帐户。
导航到我的帐户。
单击Copy Token 将令牌复制到剪贴板（Token 代表访问 IBM Quantum 设备的 API）。
运行以下命令（Jupyter Notebook）将您的 API 令牌存储在本地，以供以后在名为qiskitrc的配置文件中使用。将MY_API_TOKEN替换为 API 令牌。

from qiskit import IBMQ
IBMQ.save_account('MY_API_TOKEN')

入门

首先，我们将导入必要的包。导入行导入程序所需的基本元素（包和函数）。

代码示例中使用的导入是：

QuantumCircuit：保存你所有的量子操作；量子系统的指令
执行：运行你的电路
Aer ：处理模拟器后端
qiskit.visualization：启用数据可视化，例如plot_histogram

初始化变量

在下一行代码中，在称为电路的量子电路中初始化两个处于零状态的量子位，以及处于零状态的两个经典位。

添加门

接下来的三行代码，以circuit . 开头，添加了控制电路中量子位的门。

详细说明

QuantumCircuit.h(0 )：量子位0上的 Hadamard 门，使其进入叠加状态
QuantumCircuit.cx(0, 1 )：对控制 qubit 0和目标 qubit 1的受控非操作 ( C _x )，使 qubits 处于纠缠状态
QuantumCircuit.measure([0,1], [0,1] )：第一个参数索引量子比特，第二个参数索引经典比特。第n个量子比特的测量结果将存储在第n个经典比特中。

这个特殊的三个门一个接一个地添加到电路中形成了贝尔状态，|

$|?? = (|00? + |11?) / ?2$

在这种状态下，有 50% 的机会发现两个量子位的值都为零，并且有 50% 的机会发现两个量子位的值都为 1。

模拟实验

下一行代码调用特定的模拟器框架——在本例中，它调用 Qiskit Aer，这是一个高性能模拟器，提供多个后端来实现不同的模拟目标。在这个程序中，我们将使用qasm_simulator 。该电路的每次运行都会产生位字符串'00'或'11' 。程序在execute方法的shots参数中指定了运行电路的次数（ job = execute(电路，模拟器，shots=1000) ）。模拟的镜头数量设置为1000 （默认为1024 ）。获得结果对象后，您可以通过get_counts(circuit)方法访问计数。这为您提供了实验的总体结果。输出位字符串大约有 50% 的时间是“00” 。该模拟器不模拟噪声。任何与 50% 的偏差都是由于样本量小。

可视化电路

QuantumCircuit.draw() （由代码中的circuit.draw()调用）以教科书和研究文章中使用的各种样式之一显示您的电路。在可视化命令后得到的电路中，量子比特的排列顺序是上位量子位零，下位量子位一位。电路从左到右读取，代表时间的流逝。

可视化结果

Qiskit 提供了许多可视化，包括函数plot_histogram ，以查看您的结果。

plot_histogram(counts)

观察到 |00? 的概率（相对频率）？和 |11？状态是通过计算相应的计数并除以射击总数来计算的。

下面是实现。

Python3

# python program to create a simple Quantum circuit
  
  
%matplotlib inline
from qiskit import QuantumCircuit, execute, Aer, IBMQ
from qiskit.compiler import transpile, assemble
from qiskit.tools.jupyter import *
from qiskit.visualization import *
  
# Loading your IBM Q account(s)
provider = IBMQ.load_account()
   
# Create a Quantum Circuit acting
# on the q register
circuit = QuantumCircuit(2, 2)
   
# Add a H gate on qubit 0
circuit.h(0)
   
# Add a CX (CNOT) gate on control 
# qubit 0 and target qubit 1
circuit.cx(0, 1)
   
# Map the quantum measurement to the
# classical bits
circuit.measure([0,1], [0,1])
   
# Use Aer's qasm_simulator
simulator = Aer.get_backend('qasm_simulator')
   
# Execute the circuit on the qasm
# simulator
job = execute(circuit, simulator, shots=1000)
   
# Grab results from the job
result = job.result()
   
# Return counts
counts = result.get_counts(circuit)
print("\nTotal count for 00 and 11 are:",counts)
  
# Draw the circuit
circuit.draw()

Python3

# Plot a histogram
plot_histogram(counts)

输出：

绘制直方图

Python3

# Plot a histogram
plot_histogram(counts)

输出：