Compilazione quantistica approssimata per circuiti di evoluzione temporale

Stima di utilizzo: 15 secondi su un processore Heron (NOTA: Questa è solo una stima. Il tempo di esecuzione effettivo potrebbe variare.)

Risultati di apprendimento

Dopo aver completato questo tutorial, puoi aspettarti di comprendere le seguenti informazioni:

• Come utilizzare l'addon Qiskit AQC-Tensor per comprimere circuiti Trotter profondi in circuiti ansatz poco profondi
• Come generare un ansatz parametrizzato da un circuito Trotter e ottimizzare i suoi parametri utilizzando metodi di reti tensoriali (MPS)
• Come valutare la fedeltà di un circuito compresso rispetto all'evoluzione target ed eseguirlo su hardware quantistico

Prerequisiti

Si raccomanda di familiarizzare con i seguenti argomenti:

• Basi dei circuiti quantistici
• Simulazione hamiltoniana e Trotterizzazione
• Introduzione alle primitive

Contesto

Questo tutorial dimostra come implementare la Compilazione Quantistica Approssimata utilizzando reti tensoriali (AQC-Tensor) con Qiskit per migliorare le prestazioni dei circuiti quantistici. AQC-Tensor comprime i circuiti Trotter profondi in circuiti più superficiali e compatibili con l'hardware, preservando l'accuratezza della simulazione.

Come funziona AQC-Tensor

Considera la simulazione di un hamiltoniano $H$ per un tempo totale $t$ utilizzando $k$ passi Trotter. Il circuito Trotter completo è:

$$U_{\text{full}} = \left[U_{\text{Trotter}}(t/k)\right]^k$$

Un approccio ingenuo utilizza pochi passi Trotter per mantenere la profondità del circuito gestibile, ma questo introduce un errore Trotter significativo. AQC-Tensor risolve questa tensione separando accuratezza da profondità:

1. Circuito target (alta precisione, profondo): Costruire un circuito Trotter con molti passi—ad esempio, $10k$—per lo stesso tempo di evoluzione. Questo circuito ha molto meno errore Trotter, ma è troppo profondo per l'hardware. Poiché viene simulato solo classicamente come stato a prodotto matriciale (MPS), la profondità non è un problema.

2. Circuito ansatz (bassa profondità, parametrizzato): Definire un circuito parametrizzato $V(\theta)$ con la stessa struttura di un circuito Trotter a singolo passo. Inizializzarlo in modo che $V(\theta_{\text{init}}) = U_{\text{Trotter}}(t/k)$, poi ottimizzare iterativamente $\theta$ in modo che $V(\theta)$ riproduca lo stato target ad alta precisione nel modo più fedele possibile.

Il risultato è un circuito che mantiene la profondità di un singolo passo Trotter ma raggiunge la precisione di molti, rendendolo fattibile per l'hardware quantistico a breve termine.

Quando utilizzare AQC-Tensor

AQC-Tensor è più efficace quando:

• La profondità del circuito supera i tempi di coerenza dell'hardware. Se una simulazione Trotter richiede più passi Trotter di quanti il dispositivo possa supportare, AQC-Tensor può comprimere l'evoluzione in un circuito più superficiale.
• L'entanglement rimane trattabile classicamente. L'entanglement totale in uno stato evoluto nel tempo dipende principalmente dal tempo di evoluzione $t$, non dal numero di passi Trotter $k$. Ciò significa che un circuito target con $10k$ passi è tipicamente non più difficile da rappresentare come MPS rispetto a uno con $k$ passi, purché $t$ sia sufficientemente breve da mantenere gestibili le dimensioni dei bond.
• Esiste un ansatz naturale. Poiché l'ansatz rispecchia la struttura di un circuito Trotter, fornisce un punto di partenza fisicamente motivato con parametri iniziali ben definiti, evitando i problemi di convergenza che possono affliggere ansatz variazionali arbitrari.

Questo approccio si contrappone alla compressione generica dei circuiti: invece di cercare di approssimare un unitario arbitrario con meno porte, AQC-Tensor mantiene la stessa struttura di porte e ottimizza i suoi parametri per ridurre l'errore Trotter. Consulta la documentazione AQC-Tensor per ulteriori informazioni.

Questo tutorial ti guida attraverso il flusso di lavoro completo di preparazione degli stati con AQC-Tensor: definizione di un hamiltoniano, generazione di circuiti Trotter, loro compressione tramite ottimizzazione a rete tensoriale ed esecuzione del risultato su hardware IBM Quantum®.

Requisiti

Prima di iniziare questo tutorial, assicurati di avere installato quanto segue:

• Qiskit SDK v2.0 o successivo, con supporto per la visualizzazione
• Qiskit Runtime v0.22 o successivo (pip install qiskit-ibm-runtime)
• Addon Qiskit AQC-Tensor (pip install 'qiskit-addon-aqc-tensor[aer,quimb-jax]')

Configurazione

# Added by doQumentation — required packages for this notebook
!pip install -q matplotlib numpy qiskit qiskit-addon-aqc-tensor qiskit-addon-utils qiskit-ibm-runtime quimb rustworkx scipy

import numpy as np
import quimb.tensor
import datetime
import matplotlib.pyplot as plt

from scipy.linalg import expm
from scipy.optimize import OptimizeResult, minimize

from qiskit.quantum_info import SparsePauliOp, Pauli
from qiskit.transpiler import CouplingMap
from qiskit.transpiler.preset_passmanagers import generate_preset_pass_manager
from qiskit import QuantumCircuit
from qiskit.synthesis import SuzukiTrotter

from qiskit_addon_utils.problem_generators import (
    generate_time_evolution_circuit,
)
from qiskit_addon_aqc_tensor.ansatz_generation import (
    generate_ansatz_from_circuit,
)
from qiskit_addon_aqc_tensor.objective import MaximizeStateFidelity
from qiskit_addon_aqc_tensor.simulation.quimb import QuimbSimulator
from qiskit_addon_aqc_tensor.simulation import tensornetwork_from_circuit
from qiskit_addon_aqc_tensor.simulation import compute_overlap

from qiskit_ibm_runtime import QiskitRuntimeService
from qiskit_ibm_runtime import EstimatorV2 as Estimator
from qiskit_ibm_runtime.fake_provider import FakeKyiv

from rustworkx.visualization import graphviz_draw

Esempio su simulatore su piccola scala

Questa sezione utilizza un sistema a 10 siti per illustrare passo dopo passo il flusso di lavoro AQC-Tensor. Simuliamo le dinamiche di una catena di spin XXZ a 10 siti, un modello ampiamente studiato per esaminare le interazioni di spin e le proprietà magnetiche.

L'hamiltoniano è il seguente:

$$\hat{\mathcal{H}}_{XXZ} = \sum_{i=1}^{L-1} J_{i,(i+1)}\left(X_i X_{(i+1)}+Y_i Y_{(i+1)}+ 2\cdot Z_i Z_{(i+1)} \right) \, ,$$

dove $J_{i,(i+1)}$ è un coefficiente casuale per il legame $(i, i+1)$ e $L=10$.

Passo 1: Mappare gli input classici a un problema quantistico

In questo passo:

1. Definiamo l'hamiltoniano, l'osservabile e lo stato iniziale.
2. Calcoliamo il valore di aspettazione esatto classicamente per un confronto successivo.
3. Generiamo un circuito Trotter ad alta precisione (il target AQC) e lo comprimiamo in un ansatz a bassa profondità usando AQC-Tensor.

Configurare l'hamiltoniano, l'osservabile e lo stato iniziale

# L is the number of sites in the 1D spin chain
L = 10

# Generate the coupling map
edge_list = [(i - 1, i) for i in range(1, L)]
even_edges = edge_list[::2]
odd_edges = edge_list[1::2]
coupling_map = CouplingMap(edge_list)

# Generate random coefficients for our XXZ Hamiltonian
np.random.seed(0)
Js = np.random.rand(L - 1) + 0.5 * np.ones(L - 1)
hamiltonian = SparsePauliOp(Pauli("I" * L))
for i, edge in enumerate(even_edges + odd_edges):
    hamiltonian += SparsePauliOp.from_sparse_list(
        [
            ("XX", (edge), Js[i] / 2),
            ("YY", (edge), Js[i] / 2),
            ("ZZ", (edge), Js[i]),
        ],
        num_qubits=L,
    )

# Generate a ZZ observable between the two middle qubits
observable = SparsePauliOp.from_sparse_list(
    [("ZZ", (L // 2 - 1, L // 2), 1.0)], num_qubits=L
)

# Generate an initial Néel state |1010101010⟩
initial_state_circuit = QuantumCircuit(L)
for i in range(L):
    if i % 2:
        initial_state_circuit.x(i)

print("Hamiltonian:", hamiltonian)
print("Observable:", observable)
graphviz_draw(coupling_map.graph, method="circo")

Hamiltonian: SparsePauliOp(['IIIIIIIIII', 'IIIIIIIIXX', 'IIIIIIIIYY', 'IIIIIIIIZZ', 'IIIIIIXXII', 'IIIIIIYYII', 'IIIIIIZZII', 'IIIIXXIIII', 'IIIIYYIIII', 'IIIIZZIIII', 'IIXXIIIIII', 'IIYYIIIIII', 'IIZZIIIIII', 'XXIIIIIIII', 'YYIIIIIIII', 'ZZIIIIIIII', 'IIIIIIIXXI', 'IIIIIIIYYI', 'IIIIIIIZZI', 'IIIIIXXIII', 'IIIIIYYIII', 'IIIIIZZIII', 'IIIXXIIIII', 'IIIYYIIIII', 'IIIZZIIIII', 'IXXIIIIIII', 'IYYIIIIIII', 'IZZIIIIIII'],
              coeffs=[1.        +0.j, 0.52440675+0.j, 0.52440675+0.j, 1.0488135 +0.j,
 0.60759468+0.j, 0.60759468+0.j, 1.21518937+0.j, 0.55138169+0.j,
 0.55138169+0.j, 1.10276338+0.j, 0.52244159+0.j, 0.52244159+0.j,
 1.04488318+0.j, 0.4618274 +0.j, 0.4618274 +0.j, 0.9236548 +0.j,
 0.57294706+0.j, 0.57294706+0.j, 1.14589411+0.j, 0.46879361+0.j,
 0.46879361+0.j, 0.93758721+0.j, 0.6958865 +0.j, 0.6958865 +0.j,
 1.391773  +0.j, 0.73183138+0.j, 0.73183138+0.j, 1.46366276+0.j])
Observable: SparsePauliOp(['IIIIZZIIII'],
              coeffs=[1.+0.j])

Calcolare il valore di aspettazione esatto

Per un sistema di questa dimensione, possiamo calcolare il valore di aspettazione esatto evoluto nel tempo direttamente usando l'esponenziazione matriciale. Questo serve come riferimento per valutare la precisione del circuito AQC.

aqc_evolution_time = 0.2

# Each baseline Trotter step covers dt = aqc_evolution_time / 3
# The subsequent (uncompressed) step covers 1 additional dt
subsequent_evolution_time = aqc_evolution_time / 3
total_evolution_time = aqc_evolution_time + subsequent_evolution_time

# Compute exact expectation value via matrix exponentiation
H_matrix = hamiltonian.to_matrix()
U_exact = expm(-1j * H_matrix * total_evolution_time)

# Build the initial state vector (Néel state)
initial_state_vec = np.zeros(2**L)
state_idx = sum(2**i for i in range(L) if i % 2)
initial_state_vec[state_idx] = 1.0

# Evolve and compute expectation value
evolved_state = U_exact @ initial_state_vec
obs_matrix = observable.to_matrix()
exact_expval = (evolved_state.conj() @ obs_matrix @ evolved_state).real

print(f"AQC evolution time: {aqc_evolution_time}")
print(f"Subsequent evolution time: {subsequent_evolution_time:.6f}")
print(f"Total evolution time: {total_evolution_time:.6f}")
print(f"Exact expectation value: {exact_expval:.6f}")

AQC evolution time: 0.2
Subsequent evolution time: 0.066667
Total evolution time: 0.266667
Exact expectation value: -0.700899

Generare il circuito target AQC

Ora costruiamo il circuito Trotter che servirà come target AQC. Questo circuito utilizza molti passi Trotter (32) per alta precisione. Poiché verrà simulato solo classicamente come MPS—non eseguito su hardware—la grande profondità non è un problema.

aqc_target_num_trotter_steps = 32

aqc_target_circuit = initial_state_circuit.copy()
aqc_target_circuit.compose(
    generate_time_evolution_circuit(
        hamiltonian,
        synthesis=SuzukiTrotter(reps=aqc_target_num_trotter_steps),
        time=aqc_evolution_time,
    ),
    inplace=True,
)

Generare un ansatz, parametri iniziali, circuito successivo e circuito di riferimento

Successivamente, costruiamo un circuito "buono" con lo stesso tempo di evoluzione del target AQC ma con molti meno passi Trotter (solo uno). Passiamo questo circuito a generate_ansatz_from_circuit, che restituisce:

1. Un circuito ansatz generale e parametrizzato con la stessa connettività a due qubit.
2. Parametri iniziali che riproducono il circuito di input quando inseriti nell'ansatz.

Costruiamo anche:

• Un circuito successivo con un passo Trotter che verrà aggiunto (non compresso) dopo la porzione ottimizzata con AQC, seguendo l'approccio nel tutorial AQC-Tensor sullo stato iniziale.
• Un circuito Trotter di riferimento usando quattro passi Trotter sull'intero tempo di evoluzione (aqc_evolution_time + subsequent_evolution_time). Questo serve come confronto: rappresenta ciò che si eseguirebbe su hardware senza AQC. L'ansatz AQC (3 passi compressi + 1 passo non compresso) raggiunge una migliore precisione a profondità inferiore.

aqc_ansatz_num_trotter_steps = 1

aqc_good_circuit = initial_state_circuit.copy()
aqc_good_circuit.compose(
    generate_time_evolution_circuit(
        hamiltonian,
        synthesis=SuzukiTrotter(reps=aqc_ansatz_num_trotter_steps),
        time=aqc_evolution_time,
    ),
    inplace=True,
)

aqc_ansatz, aqc_initial_parameters = generate_ansatz_from_circuit(
    aqc_good_circuit
)

# Subsequent circuit: 1 non-compressed Trotter step appended after AQC
subsequent_num_trotter_steps = 1
subsequent_circuit = generate_time_evolution_circuit(
    hamiltonian,
    synthesis=SuzukiTrotter(reps=subsequent_num_trotter_steps),
    time=subsequent_evolution_time,
)

# Baseline Trotter circuit: 4 Trotter steps over total evolution time, no AQC
baseline_num_trotter_steps = 4
baseline_circuit = initial_state_circuit.copy()
baseline_circuit.compose(
    generate_time_evolution_circuit(
        hamiltonian,
        synthesis=SuzukiTrotter(reps=baseline_num_trotter_steps),
        time=total_evolution_time,
    ),
    inplace=True,
)

print(
    f"Target circuit:      depth {aqc_target_circuit.depth(lambda x: x.operation.num_qubits == 2)}"
)
print(
    f"Baseline circuit:    depth {baseline_circuit.depth(lambda x: x.operation.num_qubits == 2)} ({baseline_num_trotter_steps} Trotter steps, time={total_evolution_time:.4f})"
)
print(
    f"Subsequent circuit:  depth {subsequent_circuit.depth(lambda x: x.operation.num_qubits == 2)} ({subsequent_num_trotter_steps} Trotter step, time={subsequent_evolution_time:.4f})"
)
print(
    f"Ansatz circuit:      depth {aqc_ansatz.depth(lambda x: x.operation.num_qubits == 2)}, with {len(aqc_initial_parameters)} parameters"
)
aqc_ansatz.draw("mpl", fold=-1)

Target circuit:      depth 384
Baseline circuit:    depth 48 (4 Trotter steps, time=0.2667)
Subsequent circuit:  depth 12 (1 Trotter step, time=0.0667)
Ansatz circuit:      depth 3, with 156 parameters

Configurare la simulazione a rete tensoriale e costruire l'MPS target

Utilizziamo il simulatore di circuiti a stato prodotto matriciale (MPS) quimb, con JAX che fornisce la differenziazione automatica per l'ottimizzazione basata sul gradiente. Costruiamo quindi una rappresentazione MPS dello stato target e valutiamo la fedeltà iniziale tra l'ansatz iniziale e il target. Poiché il problema è un esempio relativamente piccolo, la fedeltà iniziale risulta molto alta.

simulator_settings = QuimbSimulator(
    quimb.tensor.CircuitMPS, autodiff_backend="jax"
)

aqc_target_mps = tensornetwork_from_circuit(
    aqc_target_circuit, simulator_settings
)
print("Target MPS maximum bond dimension:", aqc_target_mps.psi.max_bond())

good_mps = tensornetwork_from_circuit(aqc_good_circuit, simulator_settings)
starting_fidelity = abs(compute_overlap(good_mps, aqc_target_mps)) ** 2
print(f"Starting fidelity: {starting_fidelity:.6f}")

Target MPS maximum bond dimension: 5
Starting fidelity: 0.998246

Ottimizzare i parametri dell'ansatz

Minimizziamo la funzione di costo MaximizeStateFidelity usando l'ottimizzatore L-BFGS-B. L'ottimizzatore regola iterativamente i parametri dell'ansatz per massimizzare la fedeltà tra il circuito ansatz e l'MPS target.

aqc_stopping_fidelity = 1
aqc_max_iterations = 500

stopping_point = 1.0 - aqc_stopping_fidelity
objective = MaximizeStateFidelity(
    aqc_target_mps, aqc_ansatz, simulator_settings
)

def callback(intermediate_result: OptimizeResult):
    fidelity = 1 - intermediate_result.fun
    print(
        f"{datetime.datetime.now()} Intermediate result: Fidelity {fidelity:.8f}"
    )
    if intermediate_result.fun < stopping_point:
        raise StopIteration

result = minimize(
    objective,
    aqc_initial_parameters,
    method="L-BFGS-B",
    jac=True,
    options={"maxiter": aqc_max_iterations},
    callback=callback,
)
if result.status not in (0, 1, 99):
    raise RuntimeError(
        f"Optimization failed: {result.message} (status={result.status})"
    )

print(f"Done after {result.nit} iterations.")
aqc_final_parameters = result.x

2026-05-18 13:14:49.731596 Intermediate result: Fidelity 0.99952882
2026-05-18 13:14:49.734425 Intermediate result: Fidelity 0.99958531
2026-05-18 13:14:49.737101 Intermediate result: Fidelity 0.99960093
2026-05-18 13:14:49.739813 Intermediate result: Fidelity 0.99961046
2026-05-18 13:14:49.742969 Intermediate result: Fidelity 0.99962560
2026-05-18 13:14:49.745916 Intermediate result: Fidelity 0.99964395
2026-05-18 13:14:49.748615 Intermediate result: Fidelity 0.99968150
2026-05-18 13:14:49.753684 Intermediate result: Fidelity 0.99970569
2026-05-18 13:14:49.756208 Intermediate result: Fidelity 0.99973788
2026-05-18 13:14:49.759067 Intermediate result: Fidelity 0.99975385
2026-05-18 13:14:49.762321 Intermediate result: Fidelity 0.99976458
2026-05-18 13:14:49.765526 Intermediate result: Fidelity 0.99977661
2026-05-18 13:14:49.768496 Intermediate result: Fidelity 0.99978663
2026-05-18 13:14:49.771278 Intermediate result: Fidelity 0.99980236
2026-05-18 13:14:49.773735 Intermediate result: Fidelity 0.99981607
2026-05-18 13:14:49.776339 Intermediate result: Fidelity 0.99982811
2026-05-18 13:14:49.779177 Intermediate result: Fidelity 0.99985827
2026-05-18 13:14:49.782243 Intermediate result: Fidelity 0.99988354
2026-05-18 13:14:49.784904 Intermediate result: Fidelity 0.99991608
2026-05-18 13:14:49.787737 Intermediate result: Fidelity 0.99993336
2026-05-18 13:14:49.790414 Intermediate result: Fidelity 0.99993956
2026-05-18 13:14:49.793029 Intermediate result: Fidelity 0.99994421
2026-05-18 13:14:49.795585 Intermediate result: Fidelity 0.99994743
2026-05-18 13:14:49.835045 Intermediate result: Fidelity 0.99994791
2026-05-18 13:14:49.839786 Intermediate result: Fidelity 0.99994803
2026-05-18 13:14:49.842403 Intermediate result: Fidelity 0.99994898
2026-05-18 13:14:49.873779 Intermediate result: Fidelity 0.99994898
Done after 27 iterations.

Assemblare il circuito AQC finale

Con i parametri ottimizzati in mano, li leghiamo all'ansatz e poi aggiungiamo il passo Trotter successivo (non compresso). Il circuito risultante ha la profondità di un singolo passo Trotter compresso più un passo non compresso, ma la porzione compressa approssima la precisione di 32 passi Trotter.

aqc_final_circuit = aqc_ansatz.assign_parameters(aqc_final_parameters)
aqc_final_circuit.compose(subsequent_circuit, inplace=True)
aqc_final_circuit.draw("mpl", fold=-1)

Passo 2: Ottimizzare il problema per l'esecuzione su hardware quantistico

Per questo esempio su piccola scala, utilizziamo un backend fittizio (FakeKyiv) per simulare localmente l'esecuzione su hardware. Traspiliamo sia il circuito ottimizzato con AQC (aqc_final_circuit) che il circuito Trotter di riferimento (baseline_circuit, quattro passi Trotter sull'intero tempo di evoluzione, senza AQC) all'architettura del set di istruzioni (ISA) del backend, con optimization_level=3 per ridurre ulteriormente la profondità del circuito.

backend = FakeKyiv()

pass_manager = generate_preset_pass_manager(
    backend=backend, optimization_level=3
)

# Transpile the AQC-optimized circuit (compressed + subsequent step)
isa_circuit = pass_manager.run(aqc_final_circuit)
isa_observable = observable.apply_layout(isa_circuit.layout)
print(
    "AQC circuit depth:",
    isa_circuit.depth(lambda x: x.operation.num_qubits == 2),
)

# Transpile the baseline Trotter circuit (no AQC optimization)
isa_baseline_circuit = pass_manager.run(baseline_circuit)
isa_baseline_observable = observable.apply_layout(isa_baseline_circuit.layout)
print(
    "Baseline Trotter circuit depth:",
    isa_baseline_circuit.depth(lambda x: x.operation.num_qubits == 2),
)

AQC circuit depth: 15
Baseline Trotter circuit depth: 27

Passo 3: Eseguire utilizzando le primitive Qiskit

Utilizziamo la primitiva EstimatorV2 con il backend fittizio per eseguire sia il circuito ottimizzato con AQC che il circuito Trotter di riferimento, misurando l'osservabile ZZ per ciascuno.

estimator = Estimator(backend)

# Run both circuits
aqc_result = estimator.run([(isa_circuit, isa_observable)]).result()
baseline_result = estimator.run(
    [(isa_baseline_circuit, isa_baseline_observable)]
).result()

Passo 4: Post-elaborare e restituire il risultato nel formato classico desiderato

Estraiamo i valori di aspettazione da entrambe le esecuzioni e li confrontiamo con il risultato esatto. Il circuito Trotter di riferimento mostra ciò che otterremmo senza AQC alla stessa profondità di circuito, mentre il circuito AQC dimostra il miglioramento ottenuto dall'ottimizzazione a rete tensoriale.

aqc_expval = aqc_result[0].data.evs.tolist()
baseline_expval = baseline_result[0].data.evs.tolist()

print(f"Exact:              {exact_expval:.4f}")
print(
    f"Baseline Trotter:   {baseline_expval:.4f}, |\u0394| = {np.abs(exact_expval - baseline_expval):.4f}  (depth {isa_baseline_circuit.depth(lambda x: x.operation.num_qubits == 2)}, {baseline_num_trotter_steps} steps)"
)
print(
    f"AQC (3+1):          {aqc_expval:.4f}, |\u0394| = {np.abs(exact_expval - aqc_expval):.4f}  (depth {isa_circuit.depth(lambda x: x.operation.num_qubits == 2)}, compressed+subsequent)"
)

Exact:              -0.7009
Baseline Trotter:   -0.5400, |Δ| = 0.1609  (depth 27, 4 steps)
AQC (3+1):          -0.5728, |Δ| = 0.1281  (depth 15, compressed+subsequent)

plt.style.use("seaborn-v0_8")

labels = [
    f"Baseline Trotter\n({baseline_num_trotter_steps} steps, depth {isa_baseline_circuit.depth(lambda x: x.operation.num_qubits == 2)})",
    f"AQC (3+1)\n(depth {isa_circuit.depth(lambda x: x.operation.num_qubits == 2)})",
]
values = [baseline_expval, aqc_expval]
colors = ["tab:orange", "tab:blue"]

plt.figure(figsize=(8, 5))
bars = plt.bar(labels, values, color=colors, width=0.5)
plt.axhline(
    y=exact_expval,
    color="tab:green",
    linestyle="--",
    linewidth=2,
    label=f"Exact ({exact_expval:.4f})",
)
plt.ylabel("Expected Value")
plt.title(
    "AQC-Tensor (3 compressed + 1 uncompressed) vs Baseline Trotter (10-site XXZ)"
)
plt.legend()
for bar in bars:
    y_val = bar.get_height()
    plt.text(
        bar.get_x() + bar.get_width() / 2.0,
        y_val,
        f"{y_val:.4f}",
        ha="center",
        va="bottom" if y_val >= 0 else "top",
    )
plt.axhline(y=0, color="black", linewidth=0.3)
plt.tight_layout()
plt.show()

Esempio su hardware su grande scala

Ora scalliamo a un modello XXZ a 50 siti per dimostrare AQC-Tensor su una dimensione di problema più realistica. Il flusso di lavoro è lo stesso dell'esempio su piccola scala: comprimiamo tre passi Trotter tramite AQC e aggiungiamo un passo non compresso.

Per un sistema di questa dimensione, l'esponenziazione matriciale è impraticabile (dimensioni $2^{50}$), quindi calcoliamo il valore di aspettazione di riferimento direttamente da un MPS ad alta precisione evoluto per l'intero tempo.

Passi 1–4 combinati

# -------------------------Step 1-------------------------

# Define the 50-site spin chain
L = 50
edge_list = [(i - 1, i) for i in range(1, L)]
even_edges = edge_list[::2]
odd_edges = edge_list[1::2]
coupling_map = CouplingMap(edge_list)

# Random XXZ Hamiltonian
np.random.seed(0)
Js = np.random.rand(L - 1) + 0.5 * np.ones(L - 1)
hamiltonian = SparsePauliOp(Pauli("I" * L))
for i, edge in enumerate(even_edges + odd_edges):
    hamiltonian += SparsePauliOp.from_sparse_list(
        [
            ("XX", (edge), Js[i] / 2),
            ("YY", (edge), Js[i] / 2),
            ("ZZ", (edge), Js[i]),
        ],
        num_qubits=L,
    )

observable = SparsePauliOp.from_sparse_list(
    [("ZZ", (L // 2 - 1, L // 2), 1.0)], num_qubits=L
)

# Initial Néel state
initial_state_circuit = QuantumCircuit(L)
for i in range(L):
    if i % 2:
        initial_state_circuit.x(i)

# Time parameters
aqc_evolution_time = 0.2
subsequent_evolution_time = aqc_evolution_time / 3
total_evolution_time = aqc_evolution_time + subsequent_evolution_time

# AQC target circuit (high-accuracy, 32 Trotter steps for AQC portion)
aqc_target_num_trotter_steps = 32

aqc_target_circuit = initial_state_circuit.copy()
aqc_target_circuit.compose(
    generate_time_evolution_circuit(
        hamiltonian,
        synthesis=SuzukiTrotter(reps=aqc_target_num_trotter_steps),
        time=aqc_evolution_time,
    ),
    inplace=True,
)

# Generate ansatz from 1-step Trotter circuit
aqc_good_circuit = initial_state_circuit.copy()
aqc_good_circuit.compose(
    generate_time_evolution_circuit(
        hamiltonian,
        synthesis=SuzukiTrotter(reps=1),
        time=aqc_evolution_time,
    ),
    inplace=True,
)

aqc_ansatz, aqc_initial_parameters = generate_ansatz_from_circuit(
    aqc_good_circuit
)

# Subsequent circuit: 1 non-compressed Trotter step
subsequent_circuit = generate_time_evolution_circuit(
    hamiltonian,
    synthesis=SuzukiTrotter(reps=1),
    time=subsequent_evolution_time,
)

# Baseline Trotter circuit: 4 Trotter steps over total evolution time, no AQC
baseline_num_trotter_steps = 4
baseline_circuit = initial_state_circuit.copy()
baseline_circuit.compose(
    generate_time_evolution_circuit(
        hamiltonian,
        synthesis=SuzukiTrotter(reps=baseline_num_trotter_steps),
        time=total_evolution_time,
    ),
    inplace=True,
)
print(
    f"Target circuit:  depth {aqc_target_circuit.depth(lambda x: x.operation.num_qubits == 2)}"
)
print(
    f"Ansatz circuit:  depth {aqc_ansatz.depth(lambda x: x.operation.num_qubits == 2)}, with {len(aqc_initial_parameters)} parameters"
)
print(
    f"Subsequent circuit: depth {subsequent_circuit.depth(lambda x: x.operation.num_qubits == 2)}"
)
print(
    f"Baseline circuit:   depth {baseline_circuit.depth(lambda x: x.operation.num_qubits == 2)} ({baseline_num_trotter_steps} steps, time={total_evolution_time:.4f})"
)

# Build target MPS and compute reference expectation value
simulator_settings = QuimbSimulator(
    quimb.tensor.CircuitMPS, autodiff_backend="jax"
)
aqc_target_mps = tensornetwork_from_circuit(
    aqc_target_circuit, simulator_settings
)
print("Target MPS maximum bond dimension:", aqc_target_mps.psi.max_bond())

# For the reference expectation value, we need the full evolution (AQC + subsequent)
# Build a high-accuracy full circuit for MPS reference
full_target_circuit = initial_state_circuit.copy()
full_target_circuit.compose(
    generate_time_evolution_circuit(
        hamiltonian,
        synthesis=SuzukiTrotter(reps=aqc_target_num_trotter_steps),
        time=total_evolution_time,
    ),
    inplace=True,
)
full_target_mps = tensornetwork_from_circuit(
    full_target_circuit, simulator_settings
)
exact_expval = full_target_mps.local_expectation(
    quimb.pauli("Z") & quimb.pauli("Z"), (L // 2 - 1, L // 2)
).real.item()
print(f"Reference expectation value (from MPS): {exact_expval:.6f}")

# Optimize ansatz parameters
objective = MaximizeStateFidelity(
    aqc_target_mps, aqc_ansatz, simulator_settings
)

def callback(intermediate_result: OptimizeResult):
    fidelity = 1 - intermediate_result.fun
    print(
        f"{datetime.datetime.now()} Intermediate result: Fidelity {fidelity:.8f}"
    )

result = minimize(
    objective,
    aqc_initial_parameters,
    method="L-BFGS-B",
    jac=True,
    options={"maxiter": 500},
    callback=callback,
)
if result.status not in (0, 1, 99):
    raise RuntimeError(
        f"Optimization failed: {result.message} (status={result.status})"
    )
print(f"Done after {result.nit} iterations.")

# Assemble the final AQC circuit: optimized ansatz + subsequent Trotter step
aqc_final_circuit = aqc_ansatz.assign_parameters(result.x)
aqc_final_circuit.compose(subsequent_circuit, inplace=True)

# -------------------------Step 2-------------------------

service = QiskitRuntimeService()
backend = service.least_busy(min_num_qubits=127)
print(backend)

pass_manager = generate_preset_pass_manager(
    backend=backend, optimization_level=3
)
isa_circuit = pass_manager.run(aqc_final_circuit)
isa_observable = observable.apply_layout(isa_circuit.layout)
print(
    "AQC circuit depth:",
    isa_circuit.depth(lambda x: x.operation.num_qubits == 2),
)

# Also transpile the baseline Trotter circuit (4 Trotter steps, no AQC)
isa_baseline_circuit = pass_manager.run(baseline_circuit)
isa_baseline_observable = observable.apply_layout(isa_baseline_circuit.layout)
print(
    "Baseline Trotter circuit depth:",
    isa_baseline_circuit.depth(lambda x: x.operation.num_qubits == 2),
)

# -------------------------Step 3-------------------------

# Submit both circuits in a single job
estimator = Estimator(backend)
estimator.options.environment.job_tags = ["TUT_AQCTE"]

job = estimator.run(
    [
        (isa_circuit, isa_observable),
        (isa_baseline_circuit, isa_baseline_observable),
    ]
)
print("Job ID:", job.job_id())

Target circuit:  depth 385
Ansatz circuit:  depth 7, with 816 parameters
Subsequent circuit: depth 12
Baseline circuit:   depth 49 (4 steps, time=0.2667)
Target MPS maximum bond dimension: 5
Reference expectation value (from MPS): -0.738669
2026-05-18 13:02:11.219150 Intermediate result: Fidelity 0.99795732
2026-05-18 13:02:11.232256 Intermediate result: Fidelity 0.99822481
2026-05-18 13:02:11.245160 Intermediate result: Fidelity 0.99829520
2026-05-18 13:02:11.257765 Intermediate result: Fidelity 0.99832379
2026-05-18 13:02:11.270280 Intermediate result: Fidelity 0.99836416
2026-05-18 13:02:11.284116 Intermediate result: Fidelity 0.99840073
2026-05-18 13:02:11.296856 Intermediate result: Fidelity 0.99846863
2026-05-18 13:02:11.309602 Intermediate result: Fidelity 0.99865244
2026-05-18 13:02:11.322012 Intermediate result: Fidelity 0.99872665
2026-05-18 13:02:11.334195 Intermediate result: Fidelity 0.99892335
2026-05-18 13:02:11.346570 Intermediate result: Fidelity 0.99901045
2026-05-18 13:02:11.359202 Intermediate result: Fidelity 0.99907181
2026-05-18 13:02:11.371511 Intermediate result: Fidelity 0.99911125
2026-05-18 13:02:11.383870 Intermediate result: Fidelity 0.99918585
2026-05-18 13:02:11.396184 Intermediate result: Fidelity 0.99921504
2026-05-18 13:02:11.408543 Intermediate result: Fidelity 0.99924936
2026-05-18 13:02:11.422557 Intermediate result: Fidelity 0.99929226
2026-05-18 13:02:11.436275 Intermediate result: Fidelity 0.99933099
2026-05-18 13:02:11.449511 Intermediate result: Fidelity 0.99935792
2026-05-18 13:02:11.462093 Intermediate result: Fidelity 0.99937925
2026-05-18 13:02:11.475783 Intermediate result: Fidelity 0.99940690
2026-05-18 13:02:11.490254 Intermediate result: Fidelity 0.99944409
2026-05-18 13:02:11.503292 Intermediate result: Fidelity 0.99946840
2026-05-18 13:02:11.516064 Intermediate result: Fidelity 0.99949378
2026-05-18 13:02:11.532861 Intermediate result: Fidelity 0.99951380
2026-05-18 13:02:11.546182 Intermediate result: Fidelity 0.99955313
2026-05-18 13:02:11.559168 Intermediate result: Fidelity 0.99955707
2026-05-18 13:02:11.571753 Intermediate result: Fidelity 0.99959306
2026-05-18 13:02:11.584257 Intermediate result: Fidelity 0.99960486
2026-05-18 13:02:11.597610 Intermediate result: Fidelity 0.99961714
2026-05-18 13:02:11.610106 Intermediate result: Fidelity 0.99962953
2026-05-18 13:02:11.622515 Intermediate result: Fidelity 0.99963525
2026-05-18 13:02:11.635543 Intermediate result: Fidelity 0.99964658
2026-05-18 13:02:11.649044 Intermediate result: Fidelity 0.99965027
2026-05-18 13:02:11.664148 Intermediate result: Fidelity 0.99965802
2026-05-18 13:02:11.678033 Intermediate result: Fidelity 0.99966731
2026-05-18 13:02:11.692714 Intermediate result: Fidelity 0.99967780
2026-05-18 13:02:11.706753 Intermediate result: Fidelity 0.99968567
2026-05-18 13:02:11.720780 Intermediate result: Fidelity 0.99969139
2026-05-18 13:02:11.733471 Intermediate result: Fidelity 0.99969628
2026-05-18 13:02:11.745998 Intermediate result: Fidelity 0.99970331
2026-05-18 13:02:11.758424 Intermediate result: Fidelity 0.99970796
2026-05-18 13:02:11.771986 Intermediate result: Fidelity 0.99971165
2026-05-18 13:02:11.785841 Intermediate result: Fidelity 0.99971892
2026-05-18 13:02:11.799105 Intermediate result: Fidelity 0.99972226
2026-05-18 13:02:11.811623 Intermediate result: Fidelity 0.99972441
2026-05-18 13:02:11.824114 Intermediate result: Fidelity 0.99972679
2026-05-18 13:02:11.837179 Intermediate result: Fidelity 0.99972965
2026-05-18 13:02:12.345479 Intermediate result: Fidelity 0.99972965
Done after 49 iterations.
<IBMBackend('ibm_pittsburgh')>
AQC circuit depth: 71
Baseline Trotter circuit depth: 111
Job ID: d85kc6o0bvlc73d5nhn0

# -------------------------Step 4-------------------------

hw_results = job.result()
aqc_expval = hw_results[0].data.evs.tolist()
baseline_expval = hw_results[1].data.evs.tolist()

print(f"Exact (MPS):        {exact_expval:.4f}")
print(
    f"Baseline Trotter:   {baseline_expval:.4f}, |\u0394| = {np.abs(exact_expval - baseline_expval):.4f}"
)
print(
    f"AQC (3+1):          {aqc_expval:.4f}, |\u0394| = {np.abs(exact_expval - aqc_expval):.4f}"
)

labels = [
    f"Baseline Trotter\n({baseline_num_trotter_steps} steps, depth {isa_baseline_circuit.depth(lambda x: x.operation.num_qubits == 2)})",
    f"AQC (3+1)\n(depth {isa_circuit.depth(lambda x: x.operation.num_qubits == 2)})",
]
values = [baseline_expval, aqc_expval]
colors = ["tab:orange", "tab:blue"]

plt.figure(figsize=(8, 5))
bars = plt.bar(labels, values, color=colors, width=0.5)
plt.axhline(
    y=exact_expval,
    color="tab:green",
    linestyle="--",
    linewidth=2,
    label=f"Exact ({exact_expval:.4f})",
)
plt.ylabel("Expected Value")
plt.title(
    "AQC-Tensor (3 compressed + 1 uncompressed) vs Baseline Trotter (50-site XXZ)"
)
plt.legend()
for bar in bars:
    y_val = bar.get_height()
    plt.text(
        bar.get_x() + bar.get_width() / 2.0,
        y_val,
        f"{y_val:.4f}",
        ha="center",
        va="bottom" if y_val >= 0 else "top",
    )
plt.axhline(y=0, color="black", linewidth=0.3)
plt.tight_layout()
plt.show()

Exact (MPS):        -0.7387
Baseline Trotter:   -0.5955, |Δ| = 0.1432
AQC (3+1):          -0.6734, |Δ| = 0.0653

Prossimi passi

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