Operator backpropagation
Цей пакет реалізує зворотне поширення оператора (operator backpropagation, OBP) для зменшення глибини схем в обчисленнях очікуваних значень. Ця техніка поширює observable назад через гейти наприкінці квантової схеми, що дає менш глибоку схему ціною збільшення кількості базисів вимірювання observable. Що далі оператор поширюється назад через схему, то швидше (експоненційно) зростає розмір observable, що спричиняє накладні витрати як класичних, так і квантових ресурсів. Однак для деяких схем отриманий розподіл observable Паулі є більш концентрованим, ніж експоненційне масштабування в найгіршому випадку, тобто деякі доданки гамільтоніана з малими коефіцієнтами можна усікти, щоб зменшити квантові накладні витрати. Похибкою, що виникає при цьому, можна керувати, щоб знайти прийнятний компроміс між точністю та ефективністю.
Існує кілька способів виконати зворотне поширення оператора; цей пакет використовує метод на основі теорії збурень Кліффорда, перевага якого в тому, що накладні витрати від зворотного поширення різних гейтів визначаються тим, наскільки цей гейт не є кліффордовим. Це підвищує ефективність для деяких сімейств схем порівняно з методами OBP на основі тензорних мереж, які наразі мають високі класичні накладні витрати навіть у випадках, коли квантові накладні витрати залишаються помірними.
Цей пакет підходить для оцінювання очікуваних значень загальних квантових схем і observable Паулі; проте для схем із високою магією (дуже некліффордових) похибка observable, що виникає від усічення, імовірно стане неприйнятною раніше, ніж observable буде поширено через значну частину схеми. Для майже кліффордових схем можливо поширити observable через набагато більшу частину схеми, зберігаючи відносно малі межі похибки.
Початок роботи
Короткий посібник, який допоможе швидко почати роботу з цим пакетом, доступний у посібнику зі швидкого старту.
Приклади використання
Цю техніку було використано для реалізації Trotter-схем меншої глибини для часової еволюції двовимірної спінової моделі [1].
Технічне обговорення
-
Єдина точка входу: функція
backpropagateвиконує OBP. -
Два незалежні важелі компромісу між глибиною та точністю:
-
OperatorBudgetобмежує, наскільки великою може вирости observable під час зворотного поширення. -
TruncationErrorBudgetобмежує, яка похибка може виникнути під час зворотного поширення.
-
-
Ефективність залежить від того, наскільки схема кліффордова: для схем із високою магією (тобто дуже некліффордових) доданки, що додаються до observable, зазвичай мають більші коефіцієнти, тож похибка усічення виникає раніше, що обмежує виграш у глибині за фіксованого бюджету похибки. Майже кліффордові схеми можна усікати агресивніше й поширювати назад глибше за того самого бюджету.
-
Повна інтроспекція: кожен запуск повертає об'єкт
OBPMetadata, що записує кількість доданків Паулі на кожен зріз, кількість QWC-груп і накопичену похибку усічення, а допоміжні функціїplot_*дозволяють візуалізувати зростання оператора та похибку залежно від глибини схеми — це корисно для налаштування бюджетів перед тим, як витрачати час QPU.
Внесок у розробку
Посібник розробника розташований у CONTRIBUTING.md у корені репозиторію цього проєкту. Беручи участь, ти погоджуєшся дотримуватися кодексу поведінки Qiskit.
Ми використовуємо GitHub issues для відстеження запитів і помилок.
Цитування цього пакета
Якщо ти використовуєш цей пакет у своєму дослідженні, скористайся файлом CITATION.bib у репозиторії цього проєкту, щоб процитувати відповідні джерела.
Ліцензія
Політика застарівання
Цей пакет дотримується семантичного версіонування. Іноді ми можемо вносити зміни, що порушують сумісність, щоб покращити досвід користувача. Коли це можливо, ми зберігатимемо старі інтерфейси та позначатимемо їх як застарілі, доки вони можуть співіснувати з новими. Кожне суттєве покращення, зміна, що порушує сумісність, або застарівання будуть задокументовані в примітках до випуску.
Посилання
-
- Fuller et al., “Improved quantum computation using operator backpropagation,” npj Quantum Inf. 12, 51 (2026). [arXiv]