Tulis custom transpiler pass
Versi paket
Kode di halaman ini dikembangkan menggunakan persyaratan berikut. Kami merekomendasikan menggunakan versi ini atau yang lebih baru.
qiskit[all]~=2.3.0
Qiskit SDK memungkinkan kamu membuat custom transpilation pass dan menjalankannya di objek PassManager atau menambahkannya ke StagedPassManager. Di sini kita akan mendemonstrasikan cara menulis transpiler pass, dengan fokus membangun pass yang melakukan Pauli twirling pada quantum gate yang noisy dalam sebuah quantum Circuit. Contoh ini menggunakan DAG, yaitu objek yang dimanipulasi oleh tipe pass TransformationPass.
# Added by doQumentation — required packages for this notebook
!pip install -q numpy qiskit
Latar belakang: Representasi DAG
Sebelum membangun sebuah pass, penting untuk mengenalkan representasi internal dari quantum circuit di Qiskit, yaitu directed acyclic graph (DAG) (lihat tutorial ini untuk gambaran umum). Untuk mengikuti langkah-langkah ini, instal pustaka graphviz untuk fungsi plotting DAG.
Di Qiskit, dalam tahap transpilasi, Circuit direpresentasikan menggunakan DAG. Secara umum, DAG terdiri dari vertices (juga dikenal sebagai "node") dan edges berarah yang menghubungkan pasangan vertices dalam orientasi tertentu. Representasi ini disimpan menggunakan objek qiskit.dagcircuit.DAGCircuit yang terdiri dari objek-objek DagNode individual. Keunggulan representasi ini dibandingkan daftar gate biasa (yaitu, netlist) adalah aliran informasi antar operasi menjadi eksplisit, sehingga lebih mudah dalam mengambil keputusan transformasi.
Contoh berikut mengilustrasikan DAG dengan membuat Circuit sederhana yang mempersiapkan Bell state dan menerapkan rotasi , tergantung pada hasil pengukuran.
from qiskit import QuantumRegister, ClassicalRegister, QuantumCircuit
import numpy as np
qr = QuantumRegister(3, 'qr')
cr = ClassicalRegister(3, 'cr')
qc = QuantumCircuit(qr, cr)
qc.h(qr[0])
qc.cx(qr[0], qr[1])
qc.measure(qr[0], cr[0])
qc.rz(np.pi/2, qr[1]).c_if(cr, 2)
qc.draw(output='mpl')
Gunakan fungsi qiskit.tools.visualization.dag_drawer() untuk melihat DAG dari Circuit ini. Ada tiga jenis node dalam graph: node qubit/clbit (hijau), node operasi (biru), dan node output (merah). Setiap edge menunjukkan aliran data (atau dependensi) antara dua node.
from qiskit.converters import circuit_to_dag
from qiskit.tools.visualization import dag_drawer
dag = circuit_to_dag(qc)
dag_drawer(dag)
Transpiler pass​
Transpiler pass diklasifikasikan sebagai AnalysisPass atau TransformationPass. Pass pada umumnya bekerja dengan DAG dan property_set, sebuah objek mirip dictionary untuk menyimpan properti yang ditentukan oleh analysis pass. Analysis pass bekerja dengan DAG dan property_set-nya. Mereka tidak bisa memodifikasi DAG, tapi bisa memodifikasi property_set. Ini berbeda dengan transformation pass, yang memang memodifikasi DAG, dan bisa membaca (tapi tidak menulis ke) property_set. Misalnya, transformation pass menerjemahkan Circuit ke ISA-nya atau melakukan routing pass untuk menyisipkan SWAP gate sesuai kebutuhan.
Buat transpiler pass PauliTwirl​
Contoh berikut membangun sebuah transpiler pass yang menambahkan Pauli twirl. Pauli twirling adalah strategi penekanan error yang mengacak cara Qubit mengalami noisy channel, yang dalam contoh ini kita asumsikan adalah two-qubit gate (karena jauh lebih rentan terhadap error dibandingkan single-qubit gate). Pauli twirl tidak mempengaruhi operasi two-qubit gate. Twirl dipilih sedemikian rupa sehingga yang diterapkan sebelum two-qubit gate (di sebelah kiri) diimbangi oleh yang diterapkan setelah two-qubit gate (di sebelah kanan). Dalam pengertian ini, operasi two-qubit gate identik, tapi cara melakukannya berbeda. Salah satu manfaat Pauli twirling adalah mengubah coherent error menjadi stochastic error, yang bisa diperbaiki dengan lebih banyak averaging.
Transpiler pass bekerja pada DAG, sehingga metode penting yang perlu di-override adalah .run(), yang menerima DAG sebagai input. Menginisialisasi pasangan Pauli seperti yang ditunjukkan mempertahankan operasi setiap two-qubit gate. Ini dilakukan dengan metode helper build_twirl_set, yang menelusuri setiap two-qubit Pauli (seperti yang diperoleh dari pauli_basis(2)) dan menemukan Pauli lain yang mempertahankan operasi tersebut.
Dari DAG, gunakan metode op_nodes() untuk mengembalikan semua node-nya. DAG juga bisa digunakan untuk mengumpulkan run, yaitu urutan node yang berjalan tanpa interupsi pada sebuah Qubit. Run ini bisa dikumpulkan sebagai single-qubit run dengan collect_1q_runs, two-qubit run dengan collect_2q_runs, dan run dari node di mana nama instruksi ada dalam namelist menggunakan collect_runs. DAGCircuit memiliki banyak metode untuk mencari dan melintasi graph. Salah satu metode yang sering digunakan adalah topological_op_nodes, yang menyediakan node dalam urutan dependensi. Metode lain seperti bfs_successors digunakan terutama untuk menentukan bagaimana node berinteraksi dengan operasi berikutnya pada DAG.
Dalam contoh ini, kita ingin mengganti setiap node, yang merepresentasikan sebuah instruksi, dengan subcircuit yang dibangun sebagai mini DAG. Mini DAG memiliki two-qubit quantum register yang ditambahkan ke dalamnya. Operasi ditambahkan ke mini DAG dengan menggunakan apply_operation_back, yang menempatkan Instruction pada output mini DAG (sedangkan apply_operation_front akan menempatkannya pada input mini DAG). Node kemudian digantikan oleh mini DAG menggunakan substitute_node_with_dag, dan proses berlanjut untuk setiap instance CXGate dan ECRGate dalam DAG (sesuai dengan two-qubit basis gate pada Backend IBM®).
from qiskit.dagcircuit import DAGCircuit
from qiskit.circuit import QuantumCircuit, QuantumRegister, Gate
from qiskit.circuit.library import CXGate, ECRGate
from qiskit.transpiler import PassManager
from qiskit.transpiler.basepasses import TransformationPass
from qiskit.quantum_info import Operator, pauli_basis
import numpy as np
from typing import Iterable, Optional
class PauliTwirl(TransformationPass):
"""Add Pauli twirls to two-qubit gates."""
def __init__(
self,
gates_to_twirl: Optional[Iterable[Gate]] = None,
):
"""
Args:
gates_to_twirl: Names of gates to twirl. The default behavior is to twirl all
two-qubit basis gates, `cx` and `ecr` for IBM backends.
"""
if gates_to_twirl is None:
gates_to_twirl = [CXGate(), ECRGate()]
self.gates_to_twirl = gates_to_twirl
self.build_twirl_set()
super().__init__()
def build_twirl_set(self):
"""
Build a set of Paulis to twirl for each gate and store internally as .twirl_set.
"""
self.twirl_set = {}
# iterate through gates to be twirled
for twirl_gate in self.gates_to_twirl:
twirl_list = []
# iterate through Paulis on left of gate to twirl
for pauli_left in pauli_basis(2):
# iterate through Paulis on right of gate to twirl
for pauli_right in pauli_basis(2):
# save pairs that produce identical operation as gate to twirl
if (Operator(pauli_left) @ Operator(twirl_gate)).equiv(
Operator(twirl_gate) @ pauli_right
):
twirl_list.append((pauli_left, pauli_right))
self.twirl_set[twirl_gate.name] = twirl_list
def run(
self,
dag: DAGCircuit,
) -> DAGCircuit:
# collect all nodes in DAG and proceed if it is to be twirled
twirling_gate_classes = tuple(
gate.base_class for gate in self.gates_to_twirl
)
for node in dag.op_nodes():
if not isinstance(node.op, twirling_gate_classes):
continue
# random integer to select Pauli twirl pair
pauli_index = np.random.randint(
0, len(self.twirl_set[node.op.name])
)
twirl_pair = self.twirl_set[node.op.name][pauli_index]
# instantiate mini_dag and attach quantum register
mini_dag = DAGCircuit()
register = QuantumRegister(2)
mini_dag.add_qreg(register)
# apply left Pauli, gate to twirl, and right Pauli to empty mini-DAG
mini_dag.apply_operation_back(
twirl_pair[0].to_instruction(), [register[0], register[1]]
)
mini_dag.apply_operation_back(node.op, [register[0], register[1]])
mini_dag.apply_operation_back(
twirl_pair[1].to_instruction(), [register[0], register[1]]
)
# substitute gate to twirl node with twirling mini-DAG
dag.substitute_node_with_dag(node, mini_dag)
return dag
Gunakan transpiler pass PauliTwirl​
Kode berikut menggunakan pass yang dibuat di atas untuk melakukan transpilasi pada sebuah Circuit. Pertimbangkan Circuit sederhana dengan gate cx dan ecr.
qc = QuantumCircuit(3)
qc.cx(0, 1)
qc.ecr(1, 2)
qc.ecr(1, 0)
qc.cx(2, 1)
qc.draw("mpl")
Untuk menerapkan custom pass, bangun pass manager menggunakan pass PauliTwirl dan jalankan pada 50 Circuit.
pm = PassManager([PauliTwirl()])
twirled_qcs = [pm.run(qc) for _ in range(50)]
Setiap two-qubit gate kini diapit oleh dua Pauli.
twirled_qcs[-1].draw("mpl")
Operator-nya sama jika Operator dari qiskit.quantum_info digunakan:
np.all([Operator(twirled_qc).equiv(qc) for twirled_qc in twirled_qcs])
np.True_
Langkah selanjutnya​
- Untuk mempelajari cara menggunakan fungsi
generate_preset_passmanageralih-alih menulis pass sendiri, mulailah dengan topik Pengaturan default dan opsi konfigurasi Transpilasi. - Coba panduan Bandingkan pengaturan Transpiler.
- Tinjau dokumentasi API transpiler.