Ottimizzazione dei circuiti quantistici

nota

Toshinari Itoko (21 giugno 2024)

Scarica il PDF della lezione originale. Nota che alcuni frammenti di codice potrebbero essere obsoleti poiché si tratta di immagini statiche.

Il tempo QPU approssimativo per eseguire questo esperimento è 15 s.

(Nota: alcune celle della parte 2 sono copiate dal notebook "Qiskit Deep dive", scritto da Matthew Treinish (manutentore di Qiskit))

# Added by doQumentation — required packages for this notebook
!pip install -q qiskit qiskit-aer qiskit-ibm-runtime

# !pip install 'qiskit[visualization]'
# !pip install qiskit_ibm_runtime qiskit_aer
# !pip install jupyter
# !pip install matplotlib pylatexenc pydot pillow

import qiskit

qiskit.__version__

'2.0.2'

import qiskit_ibm_runtime

qiskit_ibm_runtime.__version__

'0.40.1'

import qiskit_aer

qiskit_aer.__version__

'0.17.1'

1. Introduzione

Questa lezione affronta diversi aspetti dell'ottimizzazione dei circuiti nel calcolo quantistico. In particolare, vedremo il valore dell'ottimizzazione dei circuiti utilizzando le impostazioni di ottimizzazione integrate in Qiskit. Poi andremo un po' più in profondità e vedremo cosa puoi fare come esperto nel tuo particolare campo applicativo per costruire circuiti in modo intelligente. Infine, esamineremo da vicino cosa accade durante la transpilazione che ci aiuta a ottimizzare i nostri circuiti.

2. L'ottimizzazione dei circuiti è importante

Prima confrontiamo i risultati dell'esecuzione di circuiti di preparazione dello stato GHZ a 5 qubit ($\frac{1}{\sqrt{2}} \left( |00000\rangle + |11111\rangle \right)$) con e senza ottimizzazione.

from qiskit.circuit import QuantumCircuit
from qiskit.transpiler.preset_passmanagers import generate_preset_pass_manager
from qiskit.primitives import BackendSamplerV2 as Sampler

from qiskit_ibm_runtime.fake_provider import FakeBrisbane

backend = FakeBrisbane()

Prima utilizziamo un circuito GHZ sintetizzato in modo ingenuo come segue.

num_qubits = 5

ghz_circ = QuantumCircuit(num_qubits)
ghz_circ.h(0)
[ghz_circ.cx(0, i) for i in range(1, num_qubits)]
ghz_circ.measure_all()
ghz_circ.draw("mpl")

2.1 Livello di ottimizzazione

Sono disponibili 4 livelli optimization_level da 0 a 3. Maggiore è il livello di ottimizzazione, maggiore è lo sforzo computazionale dedicato all'ottimizzazione del circuito. Il livello 0 non esegue alcuna ottimizzazione e si limita al minimo indispensabile per rendere il circuito eseguibile sul backend selezionato. Il livello 3 impiega il massimo sforzo (e tipicamente il maggior tempo di esecuzione) per cercare di ottimizzare il circuito. Il livello 1 è il livello di ottimizzazione predefinito. Transpiliamo il circuito senza ottimizzazione (optimization_level=0) e con ottimizzazione (optimization_level=2). Notiamo una grande differenza nella lunghezza dei circuiti transpilati.

pm0 = generate_preset_pass_manager(
    optimization_level=0, backend=backend, seed_transpiler=777
)
pm2 = generate_preset_pass_manager(
    optimization_level=2, backend=backend, seed_transpiler=777
)
circ0 = pm0.run(ghz_circ)
circ2 = pm2.run(ghz_circ)
print("optimization_level=0:")
display(circ0.draw("mpl", idle_wires=False, fold=-1))
print("optimization_level=2:")
display(circ2.draw("mpl", idle_wires=False, fold=-1))

optimization_level=0:

optimization_level=2:

2.2 Esercizio

Prova anche optimization_level=1 e confronta il circuito risultante con i due precedenti. Fallo modificando il codice qui sopra.

Soluzione:

pm1 = generate_preset_pass_manager(
    optimization_level=1, backend=backend, seed_transpiler=777
)
circ1 = pm1.run(ghz_circ)
print("optimization_level=1:")
display(circ1.draw("mpl", idle_wires=False, fold=-1))

optimization_level=1:

Esegui su un backend simulato (simulazione rumorosa). Vedi l'Appendice 1 per come eseguire su un backend reale.

# run the circuits on the fake backend (noisy simulator)
sampler = Sampler(backend=backend)
job = sampler.run([circ0, circ2], shots=10000)
print(f"Job ID: {job.job_id()}")

Job ID: 93a4ac70-e3ea-44ad-aea9-5045840c9076

# get results
result = job.result()
unoptimized_result = result[0].data.meas.get_counts()
optimized_result = result[1].data.meas.get_counts()

from qiskit.visualization import plot_histogram

# plot
sim_result = {"0" * 5: 0.5, "1" * 5: 0.5}
plot_histogram(
    [result for result in [sim_result, unoptimized_result, optimized_result]],
    bar_labels=False,
    legend=[
        "ideal",
        "no optimization",
        "with optimization",
    ],
)

3. La sintesi dei circuiti è importante

Confrontiamo ora i risultati dell'esecuzione di due circuiti di preparazione dello stato GHZ a 5 qubit ($\frac{1}{\sqrt{2}} \left( |00000\rangle + |11111\rangle \right)$) sintetizzati in modo diverso.

# Original GHZ circuit (naive synthesis)
ghz_circ.draw("mpl")

# A cleverly-synthesized GHZ circuit
ghz_circ2 = QuantumCircuit(5)
ghz_circ2.h(2)
ghz_circ2.cx(2, 1)
ghz_circ2.cx(2, 3)
ghz_circ2.cx(1, 0)
ghz_circ2.cx(3, 4)
ghz_circ2.measure_all()
ghz_circ2.draw("mpl")

# transpile both with the same optimization level 2
circ_org = pm2.run(ghz_circ)
circ_new = pm2.run(ghz_circ2)
print("original synthesis:")
display(circ_org.draw("mpl", idle_wires=False, fold=-1))
print("new synthesis:")
display(circ_new.draw("mpl", idle_wires=False, fold=-1))

original synthesis:

new synthesis:

La nuova sintesi produce un circuito meno profondo. Perché?

Questo è dovuto al fatto che il nuovo circuito può essere disposto su qubit connessi linearmente, quindi anche sul grafo di accoppiamento heavy-hexagon di IBM® Brisbane, mentre il circuito originale richiede una connettività a stella (un nodo di grado 4) e quindi non può essere disposto sul grafo di accoppiamento heavy-hex, i cui nodi hanno al massimo grado 3. Di conseguenza, il circuito originale richiede un instradamento dei qubit che aggiunge gate SWAP, aumentando il numero di gate.

Ciò che abbiamo fatto nel nuovo circuito può essere visto come una sintesi del circuito "consapevole dei vincoli di accoppiamento" manuale. In altre parole: risolvere manualmente la sintesi del circuito e il mapping del circuito allo stesso tempo.

# run the circuits
sampler = Sampler(backend=backend)
job = sampler.run([circ_org, circ_new], shots=10000)
print(f"Job ID: {job.job_id()}")

Job ID: 19d635b0-4d8b-44c2-a76e-49e4b9078b1b

# get results
result = job.result()
synthesis_org_result = result[0].data.meas.get_counts()
synthesis_new_result = result[1].data.meas.get_counts()

# plot
sim_result = {"0" * 5: 0.5, "1" * 5: 0.5}
plot_histogram(
    [
        result
        for result in [
            sim_result,
            unoptimized_result,
            synthesis_org_result,
            synthesis_new_result,
        ]
    ],
    bar_labels=False,
    legend=[
        "ideal",
        "no optimization",
        "synthesis_org",
        "synthesis_new",
    ],
)

In generale, la sintesi dei circuiti dipende dall'applicazione ed è troppo difficile per un software coprire tutte le possibili applicazioni. Il transpiler di Qiskit non dispone di funzioni per sintetizzare il circuito di preparazione dello stato GHZ. In tal caso, la sintesi manuale del circuito come mostrato sopra vale la pena di essere considerata. In questa sezione, esaminiamo i dettagli del funzionamento del transpiler di Qiskit utilizzando il seguente circuito di esempio.

# Build a toy example circuit
from math import pi
import itertools
from qiskit.circuit import QuantumCircuit
from qiskit.circuit.library import excitation_preserving

circuit = QuantumCircuit(4, name="Example circuit")
circuit.append(excitation_preserving(4, reps=1, flatten=True), range(4))
circuit.measure_all()

value_cycle = itertools.cycle([0, pi / 4, pi / 2, 3 * pi / 4, pi, 2 * pi])
circuit.assign_parameters(
    [x[1] for x in zip(range(len(circuit.parameters)), value_cycle)], inplace=True
)
circuit.draw("mpl")

3.1 Visualizzare l'intero flusso di transpilazione di Qiskit

Esaminiamo i pass del transpiler (le attività) per optimization_level=1.

from qiskit.transpiler.preset_passmanagers import generate_preset_pass_manager

# There is no need to read this entire image, but this outputs all the steps in the transpile() call
# for optimization level 1
pm = generate_preset_pass_manager(1, backend, seed_transpiler=42)
pm.draw()

Il flusso è composto da sei fasi:

print(pm.stages)

('init', 'layout', 'routing', 'translation', 'optimization', 'scheduling')

3.2 Visualizzare una singola fase

Prima, visualizziamo tutte le attività (i pass del transpiler) eseguite nella fase init.

pm.init.draw()

Possiamo eseguire ogni singola fase. Eseguiamo la fase init per il nostro circuito. Abilitando il logger, possiamo vedere i dettagli dell'esecuzione.

import logging

logger = logging.getLogger()
logger.setLevel("INFO")

init_out = pm.init.run(circuit)
init_out.draw("mpl", fold=-1)

INFO:qiskit.passmanager.base_tasks:Pass: UnitarySynthesis - 0.03576 (ms)
INFO:qiskit.passmanager.base_tasks:Pass: HighLevelSynthesis - 0.16618 (ms)
INFO:qiskit.passmanager.base_tasks:Pass: BasisTranslator - 0.07176 (ms)
INFO:qiskit.passmanager.base_tasks:Pass: InverseCancellation - 0.27299 (ms)
INFO:qiskit.passmanager.base_tasks:Pass: ContractIdleWiresInControlFlow - 0.00811 (ms)

3.3 Esercizio

Visualizza i pass della fase layout ed esegui la fase per il circuito di output della fase init (init_out), modificando le celle usate sopra.

Soluzione:

display(pm.layout.draw())
layout_out = pm.layout.run(init_out)
layout_out.draw("mpl", idle_wires=False, fold=-1)

INFO:qiskit.passmanager.base_tasks:Pass: SetLayout - 0.01001 (ms)
INFO:qiskit.passmanager.base_tasks:Pass: TrivialLayout - 0.07129 (ms)
INFO:qiskit.passmanager.base_tasks:Pass: CheckMap - 0.08917 (ms)
INFO:qiskit.passmanager.base_tasks:Pass: VF2Layout - 1.24431 (ms)
INFO:qiskit.passmanager.base_tasks:Pass: BarrierBeforeFinalMeasurements - 0.02599 (ms)
INFO:qiskit.passmanager.base_tasks:Pass: SabreLayout - 5.11169 (ms)

Fai lo stesso per la fase translation.

Soluzione:

display(pm.translation.draw())
basis_out = pm.translation.run(layout_out)
basis_out.draw("mpl", idle_wires=False, fold=-1)

INFO:qiskit.passmanager.base_tasks:Pass: UnitarySynthesis - 0.03386 (ms)
INFO:qiskit.passmanager.base_tasks:Pass: HighLevelSynthesis - 0.02718 (ms)
INFO:qiskit.passmanager.base_tasks:Pass: BasisTranslator - 2.64192 (ms)
INFO:qiskit.passmanager.base_tasks:Pass: CheckGateDirection - 0.02217 (ms)
INFO:qiskit.passmanager.base_tasks:Pass: GateDirection - 0.36502 (ms)
INFO:qiskit.passmanager.base_tasks:Pass: BasisTranslator - 0.64778 (ms)

Nota: ogni singola fase non può sempre essere eseguita in modo indipendente (poiché alcune di esse devono trasportare informazioni dalla fase precedente).

3.4 Fase di ottimizzazione

L'ultima fase predefinita nella pipeline è l'ottimizzazione. Dopo aver incorporato il circuito per il target, il circuito si è espanso notevolmente. La maggior parte di ciò è dovuta a inefficienze nelle relazioni di equivalenza derivanti dalla traduzione delle basi e dall'inserimento degli SWAP. La fase di ottimizzazione viene utilizzata per cercare di minimizzare la dimensione e la profondità del circuito. Esegue una serie di pass in un ciclo do while finché non raggiunge un output stazionario.

# pm.pre_optimization.draw()
pm.optimization.draw()

logger = logging.getLogger()
logger.setLevel("INFO")
opt_out = pm.optimization.run(basis_out)

INFO:qiskit.passmanager.base_tasks:Pass: Depth - 0.30112 (ms)
INFO:qiskit.passmanager.base_tasks:Pass: FixedPoint - 0.03195 (ms)
INFO:qiskit.passmanager.base_tasks:Pass: Size - 0.01216 (ms)
INFO:qiskit.passmanager.base_tasks:Pass: FixedPoint - 0.01001 (ms)
INFO:qiskit.passmanager.base_tasks:Pass: Optimize1qGatesDecomposition - 0.63729 (ms)
INFO:qiskit.passmanager.base_tasks:Pass: InverseCancellation - 0.41723 (ms)
INFO:qiskit.passmanager.base_tasks:Pass: ContractIdleWiresInControlFlow - 0.01192 (ms)
INFO:qiskit.passmanager.base_tasks:Pass: GatesInBasis - 0.05484 (ms)
INFO:qiskit.passmanager.base_tasks:Pass: Depth - 0.08583 (ms)
INFO:qiskit.passmanager.base_tasks:Pass: FixedPoint - 0.20599 (ms)
INFO:qiskit.passmanager.base_tasks:Pass: Size - 0.00787 (ms)
INFO:qiskit.passmanager.base_tasks:Pass: FixedPoint - 0.00715 (ms)
INFO:qiskit.passmanager.base_tasks:Pass: Optimize1qGatesDecomposition - 0.16809 (ms)
INFO:qiskit.passmanager.base_tasks:Pass: InverseCancellation - 0.17190 (ms)
INFO:qiskit.passmanager.base_tasks:Pass: ContractIdleWiresInControlFlow - 0.00691 (ms)
INFO:qiskit.passmanager.base_tasks:Pass: GatesInBasis - 0.02408 (ms)
INFO:qiskit.passmanager.base_tasks:Pass: Depth - 0.04935 (ms)
INFO:qiskit.passmanager.base_tasks:Pass: FixedPoint - 0.00525 (ms)
INFO:qiskit.passmanager.base_tasks:Pass: Size - 0.00620 (ms)
INFO:qiskit.passmanager.base_tasks:Pass: FixedPoint - 0.00286 (ms)

opt_out.draw("mpl", idle_wires=False, fold=-1)

4. Esempi approfonditi

4.1 Ottimizzazione di blocchi a due qubit tramite sintesi di unitarie a due qubit

Per i livelli 2 e 3, sono disponibili ulteriori passi (Collect2qBlocks, ConsolidateBlocks, UnitarySynthesis) per un'ottimizzazione più spinta, ovvero l'ottimizzazione di blocchi a due qubit. (Confronta il flusso della fase di ottimizzazione per il livello 2 con quello mostrato sopra per il livello 1)

L'ottimizzazione di blocchi a due qubit si compone di due fasi: la raccolta e il consolidamento di blocchi a 2 qubit, e la sintesi delle matrici unitarie a 2 qubit.

pm2 = generate_preset_pass_manager(2, backend, seed_transpiler=42)
pm2.optimization.draw()

from qiskit.transpiler import PassManager
from qiskit.transpiler.passes import (
    Collect2qBlocks,
    ConsolidateBlocks,
    UnitarySynthesis,
)

# Collect 2q blocks and consolidate to unitary when we expect that we can reduce the 2q gate count for that unitary
consolidate_pm = PassManager(
    [
        Collect2qBlocks(),
        ConsolidateBlocks(target=backend.target),
    ]
)

display(basis_out.draw("mpl", idle_wires=False, fold=-1))

consolidated = consolidate_pm.run(basis_out)
consolidated.draw("mpl", idle_wires=False, fold=-1)

# Synthesize unitaries
UnitarySynthesis(target=backend.target)(consolidated).draw(
    "mpl", idle_wires=False, fold=-1
)

logger.setLevel("WARNING")

Nella Parte 2 abbiamo visto che il flusso reale del compilatore quantistico non è così semplice ed è composto da molti passi (task). Ciò è dovuto principalmente all'ingegneria del software necessaria per garantire prestazioni adeguate su un'ampia gamma di circuiti applicativi e la manutenibilità del software. Il transpiler di Qiskit funziona bene nella maggior parte dei casi, ma se noti che il tuo circuito non viene ottimizzato correttamente, potrebbe valere la pena esplorare ottimizzazioni specifiche per la tua applicazione, come mostrato nella Parte 1. La tecnologia di transpilazione è in continua evoluzione: i tuoi contributi di R&S sono benvenuti.

from qiskit.circuit import QuantumCircuit
from qiskit_ibm_runtime import QiskitRuntimeService, Sampler

service = QiskitRuntimeService()
backend = service.backend("ibm_brisbane")
sampler = Sampler(backend)

circ = QuantumCircuit(3)
circ.ccx(0, 1, 2)
circ.measure_all()
circ.draw("mpl")

sampler.run([circ])  # IBMInputValueError will be raised

4.2 L'ottimizzazione del circuito conta

Confrontiamo innanzitutto i risultati dell'esecuzione di circuiti di preparazione dello stato GHZ a 5 qubit ($\frac{1}{\sqrt{2}} \left( |00000\rangle + |11111\rangle \right)$) con e senza ottimizzazione.

from qiskit.circuit import QuantumCircuit
from qiskit.transpiler.preset_passmanagers import generate_preset_pass_manager
from qiskit_ibm_runtime import QiskitRuntimeService, Sampler

service = QiskitRuntimeService()

# backend = service.backend('ibm_brisbane')
backend = service.least_busy(
    operational=True, simulator=False, min_num_qubits=127
)  # Eagle
backend

Per prima cosa utilizziamo un circuito GHZ sintetizzato in modo ingenuo come segue.

num_qubits = 5

ghz_circ = QuantumCircuit(num_qubits)
ghz_circ.h(0)
[ghz_circ.cx(0, i) for i in range(1, num_qubits)]
ghz_circ.measure_all()
ghz_circ.draw("mpl")

Traspiliamo il circuito senza ottimizzazione (optimization_level=0) e con ottimizzazione (optimization_level=2). Come puoi vedere, c'è una grande differenza nella lunghezza dei circuiti traspilati.

pm0 = generate_preset_pass_manager(
    optimization_level=0, backend=backend, seed_transpiler=777
)
pm2 = generate_preset_pass_manager(
    optimization_level=2, backend=backend, seed_transpiler=777
)
circ0 = pm0.run(ghz_circ)
circ2 = pm2.run(ghz_circ)
print("optimization_level=0:")
display(circ0.draw("mpl", idle_wires=False, fold=-1))
print("optimization_level=2:")
display(circ2.draw("mpl", idle_wires=False, fold=-1))

optimization_level=0:

optimization_level=2:

# run the circuits
sampler = Sampler(backend)
job = sampler.run([circ0, circ2], shots=10000)
job_id = job.job_id()
print(f"Job ID: {job_id}")

Job ID: d13rnnemya70008ek1zg

# REPLACE WITH YOUR OWN JOB IDS
job = service.job(job_id)

# get results
result = job.result()
unoptimized_result = result[0].data.meas.get_counts()
optimized_result = result[1].data.meas.get_counts()

from qiskit.visualization import plot_histogram

# plot
sim_result = {"0" * 5: 0.5, "1" * 5: 0.5}
plot_histogram(
    [result for result in [sim_result, unoptimized_result, optimized_result]],
    bar_labels=False,
    legend=[
        "ideal",
        "no optimization",
        "with optimization",
    ],
)

4.3 La sintesi del circuito conta

Confrontiamo ora i risultati dell'esecuzione di due circuiti di preparazione dello stato GHZ a 5 qubit ($\frac{1}{\sqrt{2}} \left( |00000\rangle + |11111\rangle \right)$) sintetizzati in modo diverso.

# Original GHZ circuit (naive synthesis)
ghz_circ.draw("mpl")

# A better GHZ circuit (smarter synthesis), you learned in a previous lecture
ghz_circ2 = QuantumCircuit(5)
ghz_circ2.h(2)
ghz_circ2.cx(2, 1)
ghz_circ2.cx(2, 3)
ghz_circ2.cx(1, 0)
ghz_circ2.cx(3, 4)
ghz_circ2.measure_all()
ghz_circ2.draw("mpl")

circ_org = pm2.run(ghz_circ)
circ_new = pm2.run(ghz_circ2)
print("original synthesis:")
display(circ_org.draw("mpl", idle_wires=False, fold=-1))
print("new synthesis:")
display(circ_new.draw("mpl", idle_wires=False, fold=-1))

original synthesis:

new synthesis:

# run the circuits
sampler = Sampler(backend)
job = sampler.run([circ_org, circ_new], shots=10000)
job_id = job.job_id()
print(f"Job ID: {job_id}")

Job ID: d13rp283grvg008j12fg

# REPLACE WITH YOUR OWN JOB IDS
job = service.job(job_id)

# get results
result = job.result()
synthesis_org_result = result[0].data.meas.get_counts()
synthesis_new_result = result[1].data.meas.get_counts()

# plot
sim_result = {"0" * 5: 0.5, "1" * 5: 0.5}
plot_histogram(
    [result for result in [sim_result, synthesis_org_result, synthesis_new_result]],
    bar_labels=False,
    legend=[
        "ideal",
        "synthesis_org",
        "synthesis_new",
    ],
)

4.4 Decomposizione generale di gate a 1 qubit

from qiskit import QuantumCircuit, transpile
from qiskit.circuit import Parameter
from qiskit.circuit.library.standard_gates import UGate

phi, theta, lam = Parameter("φ"), Parameter("θ"), Parameter("λ")

qc = QuantumCircuit(1)
qc.append(UGate(theta, phi, lam), [0])
qc.draw(output="mpl")

transpile(qc, basis_gates=["rz", "sx"]).draw(output="mpl")

4.5 Ottimizzazione di blocchi a un qubit

from qiskit import QuantumCircuit

qc = QuantumCircuit(1)
qc.x(0)
qc.y(0)
qc.z(0)
qc.rx(1.23, 0)
qc.ry(1.23, 0)
qc.rz(1.23, 0)
qc.h(0)
qc.s(0)
qc.t(0)
qc.sx(0)
qc.sdg(0)
qc.tdg(0)
qc.draw(output="mpl")

from qiskit.quantum_info import Operator

Operator(qc)

Operator([[ 0.45292511-0.57266982j, -0.66852684-0.14135058j],
          [ 0.14135058+0.66852684j, -0.57266982+0.45292511j]],
         input_dims=(2,), output_dims=(2,))

from qiskit import transpile

qc_opt = transpile(qc, basis_gates=["rz", "sx"])
qc_opt.draw(output="mpl")

Operator(qc_opt)

Operator([[ 0.45292511-0.57266982j, -0.66852684-0.14135058j],
          [ 0.14135058+0.66852684j, -0.57266982+0.45292511j]],
         input_dims=(2,), output_dims=(2,))

Operator(qc).equiv(Operator(qc_opt))

True

4.6 Decomposizione di Toffoli

qc = QuantumCircuit(3)
qc.ccx(0, 1, 2)
qc.draw(output="mpl")

from qiskit import QuantumCircuit, transpile

qc = QuantumCircuit(3)
qc.ccx(0, 1, 2)
qc = transpile(qc, basis_gates=["rz", "sx", "cx"])
qc.draw(output="mpl")

4.7 Decomposizione del gate CU

from qiskit.circuit.library.standard_gates import CUGate

phi, theta, lam, gamma = Parameter("φ"), Parameter("θ"), Parameter("λ"), Parameter("γ")
qc = QuantumCircuit(2)
# qc.cu(theta, phi, lam, gamma, 0, 1)
qc.append(CUGate(theta, phi, lam, gamma), [0, 1])
qc.draw(output="mpl")

from qiskit.circuit.library.standard_gates import CUGate

phi, theta, lam, gamma = Parameter("φ"), Parameter("θ"), Parameter("λ"), Parameter("γ")
qc = QuantumCircuit(2)
qc.append(CUGate(theta, phi, lam, gamma), [0, 1])
qc = transpile(qc, basis_gates=["rz", "sx", "cx"])
qc.draw(output="mpl")

4.8 CX, ECR, CZ sono equivalenti a meno di Clifford locali

Nota che $H$ (Hadamard), $S$ (rotazione Z di $\pi/2$), $S^\dagger$ (rotazione Z di $-\pi/2$) e $X$ (Pauli X) sono tutti gate di Clifford.

qc = QuantumCircuit(2)
qc.cx(0, 1)
qc.draw(output="mpl", style="bw")

qc = QuantumCircuit(2)
qc.cx(0, 1)
transpile(qc, basis_gates=["x", "s", "h", "sdg", "ecr"]).draw(output="mpl", style="bw")

qc = QuantumCircuit(2)
qc.cx(0, 1)
transpile(qc, basis_gates=["h", "cz"]).draw(output="mpl", style="bw")

Utilizzo dei gate base a 1 qubit del backend IBM: "rz", "sx" e "x".

qc = QuantumCircuit(2)
qc.cx(0, 1)
transpile(qc, basis_gates=["rz", "sx", "x", "ecr"]).draw(output="mpl", style="bw")

qc = QuantumCircuit(2)
qc.cx(0, 1)
transpile(qc, basis_gates=["rz", "sx", "x", "cz"]).draw(output="mpl", style="bw")

# Check Qiskit version
import qiskit

qiskit.__version__

'2.0.2'