Kvantinis valdymas

Sukimosi operatoriai

Kvantiniame skaičiavime kiekviena vieno kubito operacija atitinka sukimą Blocho sferoje. Trys pagrindiniai sukimosi operatoriai aprasma sukimus apie x, y ir z asis:

Cia σ_x, σ_y, σ_z yra Pauli matricos, o I — vienetinė matrica. Bet kurį vieno kubito vartą galima isreiksti kaip sių sukimų kompoziciją (Euler dekompozicija): U = R_z(α) R_y(β) R_z(γ).

RD impulsai ir sukimų realizacija

BMR kvantiniame kompiuteryje sukimus realizuojame radijo dazniu (RD) impulsais. Impulso parametrai nustato sukimo asį ir kampą:

Pagrindiniai vieno kubito vartai

Visi standartiniai kvantiniai vartai gali būti isreiksti per sukimosi operatorius:

Dviejų kubitų valdymas ir J-rysis

SpinQ Gemini turi du kubitus: ¹H (protonas) ir ¹⁹F (fluoras). Sie du branduoliai sąveikauja per J-rysi (skaliarinis rysis per elektronų debesis), kurio stiprumas J ≈ 160 Hz. Sis rysis yra esminis dviejų kubitų vartų realizacijai.

J-rysio evoliucija per laiką t sukelia sąlyginį fazės pokytį: vieno kubito precesijos daznis priklauso nuo kito kubito būsenos. Tai yra sąlyginės logikos pagrindas — CNOT vartų realizacija:

Globalus ir lokalusis valdymas

BMR sistemoje yra du valdymo režimai:

Pasirinkite sukimosi asį ir kampą, ir stebėkite, kaip kubito būsena keiciasi Blocho sferoje. Ivertinkite isėjimo būseną |ψ⟩ po kiekvieno sukimo.

Sudetingesnės operacijos realizuojamos kombinuojant kelis sukimus. Stebėkite, kaip vartų seka veikia kubito būseną:

SpinQ Gemini dviejų kubitų sistemoje (¹H ir ¹⁹F) valdymas vyksta per selektyvius RD impulsus ir J-rysio evoliuciją.

CNOT vartų grandis BMR sistemoje

CNOT vartai konstruojami is vieno kubito sukimų ir J-evoliucijos. Cia pateikta supaprastinta schema (valdantysis kubitas — ¹H, tikslinis — ¹⁹F):

Kvantinio valdymo kokybė priklauso nuo vartų greičio (kiek greitai isgyvendiname operaciją) ir dekoherencijos greičio (kiek greitai prarandame kvantinę informaciją). Pagrindinis kokybės parametras — vartų tikslumas (fidelity):

Atlikite siuos zingsnius SpinQ Gemini platformoje, kad praktiskai isgyvendintumėte kvantini valdymą.

Kvantinį valdymą — vieno kubito sukimosi operatorius ir CNOT, paremtą J-ryšiu — galima realizuoti tiek tiesiogine SpinQit/Qiskit grandine Python kalboje, tiek deklaratyviu .rqmod aprašymu, kurį ResilQ Studio kompiliuoja į QASM2 / SpinQit darbą.

Pythonas: vieno ir dviejų kubitų grandinė (SpinQit)

Pavyzdys parengia Bell pora |Φ⁺⟩ = (|00⟩+|11⟩)/√2 naudojant Hadamardą ir CNOT, ir matuoja juos abu kubitus apskaičiuojamoje bazėje. Tas pats kodas veikia tiek lokaliame simuliatoriuje, tiek tikrame SpinQ Gemini.

# bell_spinqit.py — Bell būsenos sukūrimas su SpinQit
from spinqit import Circuit, BasicSimulator, get_compiler
from spinqit.model import H, CX, MEASURE

qc = Circuit(2)
qc.append(H,  [0])           # π/2 sukimas — superpozicija
qc.append(CX, [0, 1])        # J-ryšiu paremtas CNOT
qc.append(MEASURE, [0, 1])

backend = BasicSimulator()
exe     = get_compiler("native").compile(qc, 0)
result  = backend.run(exe, 1024)
print(result.counts)   # tikimasi: ~50% |00⟩, ~50% |11⟩

Alternatyva: .rqmod modelis

Tas pats eksperimentas aprašomas RQmod kalba; modelyje fiksuojama grandinė ir max_width = 2 ribojimas, garantuojantis, kad eksperimentas tilps į SpinQ Gemini 2 kubitų aparatą.

// lab4-quantum-control.rqmod
audit "lab4-quantum-control" {
  targets = ["spinq-gemini-lab"]

  layers {
    use { runtime, openssl }
  }

  experiment bell_pair {
    qubits   = [q0, q1]
    circuit  {
      h(q0)
      cx(q0, q1)        // J-ryšiu paremtas CNOT
    }
    measure  = z_basis
    shots    = 1024
  }

  backend quantum {
    provider  = spinqit
    emit      = qasm2
    max_width = 2
  }

  output { formats = [json, cbom, qasm] }
}

resilq-q compile lab4-quantum-control.rqmod --out build/lab4

Apie RQmod