Práce s DAG v průchodech Transpileru
V Qiskitu jsou obvody v rámci fází transpilace reprezentovány pomocí DAG. Obecně se DAG skládá z vrcholů (tzv. „uzlů") a orientovaných hran, které propojují dvojice vrcholů v určitém směru. Tato reprezentace je uložena pomocí objektů qiskit.dagcircuit.DAGCircuit, které se skládají z jednotlivých objektů DagNode. Výhodou tohoto přístupu oproti prostému seznamu Gate (tzv. netlistu) je, že tok informací mezi operacemi je explicitní, což usnadňuje rozhodování o transformacích.
Tento průvodce ukazuje, jak pracovat s DAG a používat je k psan í vlastních průchodů Transpileru. Začneme sestavením jednoduchého obvodu a prozkoumáme jeho reprezentaci v DAG, poté si projdeme základní operace s DAG a implementujeme vlastní průchod BasicMapper.
Sestavení obvodu a prozkoumání jeho DAG
Níže uvedený úryvek kódu ilustruje DAG vytvořením jednoduchého Circuit, který připraví Bellův stav a aplikuje rotaci v závislosti na výsledku měření.
Verze balíčků
Kód na této stránce byl vyvinut s použitím následujících požadavků. Doporučujeme použít tyto verze nebo novější.
qiskit[all]~=2.3.0
# Added by doQumentation — required packages for this notebook
!pip install -q qiskit
from qiskit import QuantumRegister, ClassicalRegister, QuantumCircuit
from qiskit.converters import circuit_to_dag
from qiskit.visualization import circuit_drawer
from qiskit.visualization.dag_visualization import dag_drawer
# Create circuit
q = QuantumRegister(3, "q")
c = ClassicalRegister(3, "c")
circ = QuantumCircuit(q, c)
circ.h(q[0])
circ.cx(q[0], q[1])
circ.measure(q[0], c[0])
# Qiskit 2.0 uses if_test instead of c_if
with circ.if_test((c, 2)):
circ.rz(0.5, q[1])
circuit_drawer(circ, output="mpl")
V DAG existují tři druhy uzlů grafu: vstupní uzly Qubit/clbit (zelené), operační uzly (modré) a výstupní uzly (červené). Každá hrana znázorňuje tok dat (nebo závislost) mezi dvěma uzly. K zobrazení DAG tohoto Circuit použij funkci qiskit.tools.visualization.dag_drawer(). (Pro spuštění je nutné nainstalovat knihovnu Graphviz.)
# Convert to DAG
dag = circuit_to_dag(circ)
dag_drawer(dag)
Základní operace s DAG
Níže uvedené příklady kódu demonstrují běžné operace s DAG, včetně přístupu k uzlům, přidávání operací a nahrazování podobvodů. Tyto operace tvoří základ pro tvorbu průchodů Transpileru.
Získání všech operačních uzlů v DAG
Metoda op_nodes() vrací iterovatelný seznam objektů DAGOpNode v Circuit:
dag.op_nodes()
[DAGOpNode(op=Instruction(name='h', num_qubits=1, num_clbits=0, params=[]), qargs=(<Qubit register=(3, "q"), index=0>,), cargs=()),
DAGOpNode(op=Instruction(name='cx', num_qubits=2, num_clbits=0, params=[]), qargs=(<Qubit register=(3, "q"), index=0>, <Qubit register=(3, "q"), index=1>), cargs=()),
DAGOpNode(op=Instruction(name='measure', num_qubits=1, num_clbits=1, params=[]), qargs=(<Qubit register=(3, "q"), index=0>,), cargs=(<Clbit register=(3, "c"), index=0>,)),
DAGOpNode(op=Instruction(name='if_else', num_qubits=1, num_clbits=3, params=[<qiskit.circuit.quantumcircuit.QuantumCircuit object at 0x7f912f47db10>, None]), qargs=(<Qubit register=(3, "q"), index=1>,), cargs=(<Clbit register=(3, "c"), index=0>, <Clbit register=(3, "c"), index=1>, <Clbit register=(3, "c"), index=2>))]
Každý uzel je instancí třídy DAGOpNode:
node = dag.op_nodes()[3]
print("node name:", node.name)
print("op:", node.op)
print("qargs:", node.qargs)
print("cargs:", node.cargs)
print("condition:", node.op.condition)
node name: if_else
op: Instruction(name='if_else', num_qubits=1, num_clbits=3, params=[<qiskit.circuit.quantumcircuit.QuantumCircuit object at 0x7f912f4ceed0>, None])
qargs: (<Qubit register=(3, "q"), index=1>,)
cargs: (<Clbit register=(3, "c"), index=0>, <Clbit register=(3, "c"), index=1>, <Clbit register=(3, "c"), index=2>)
condition: (ClassicalRegister(3, 'c'), 2)
Přidání operace na konec
Operace se přidá na konec DAGCircuit pomocí metody apply_operation_back(). Ta připojí zadaný Gate tak, aby působil na daných Qubitech po všech stávajících operacích v Circuit.
from qiskit.circuit.library import HGate
dag.apply_operation_back(HGate(), qargs=[q[0]])
dag_drawer(dag)
Přidání operace na začátek
Operace se přidá na začátek DAGCircuit pomocí metody apply_operation_front(). Ta vloží zadaný Gate před všechny stávající operace v Circuit, takže bude jako první v pořadí vykonávání.
from qiskit.circuit.library import CCXGate
dag.apply_operation_front(CCXGate(), qargs=[q[0], q[1], q[2]])
dag_drawer(dag)
Nahrazení uzlu podobvodem
Uzel reprezentující konkrétní operaci v DAGCircuit je nahrazen podobvodem. Nejprve se sestaví nový pod-DAG s požadovanou posloupností Gate, poté je cílový uzel nahrazen tímto pod-DAG pomocí substitute_node_with_dag(), přičemž jsou zachována napojení na zbytek Circuit.
from qiskit.dagcircuit import DAGCircuit
from qiskit.circuit.library import CHGate, U2Gate, CXGate
# Build sub-DAG
mini_dag = DAGCircuit()
p = QuantumRegister(2, "p")
mini_dag.add_qreg(p)
mini_dag.apply_operation_back(CHGate(), qargs=[p[1], p[0]])
mini_dag.apply_operation_back(U2Gate(0.1, 0.2), qargs=[p[1]])
# Replace CX with mini_dag
cx_node = dag.op_nodes(op=CXGate).pop()
dag.substitute_node_with_dag(cx_node, mini_dag, wires=[p[0], p[1]])
dag_drawer(dag)
Po dokončení všech transformací lze DAG převést zpět na běžný objekt QuantumCircuit. Takto funguje pipeline Transpileru. Circuit je vzat, zpracován ve formě DAG a na výstupu je produkován transformovaný Circuit.
from qiskit.converters import dag_to_circuit
new_circ = dag_to_circuit(dag)
circuit_drawer(new_circ, output="mpl")
Implementace průchodu BasicMapper
Strukturu DAG lze využít při psaní průchodů Transpileru. V níže uvedeném příkladu je implementován průchod BasicMapper, který mapuje libovolný Circuit na zařízení s omezenou konektivitou Qubitů. Další pokyny najdeš v průvodci psaním vlastních průchodů Transpileru.
Průchod je definován jako TransformationPass, což znamená, že modifikuje Circuit. Dělá to tak, že prochází DAG vrstvu po vrstvě, kontroluje, zda každá instrukce splňuje omezení dané coupling mapou zařízení. Pokud je zjištěno porušení, je určena swapová cesta a jsou vloženy potřebné SWAP Gate.
Při vytváření průchodu Transpileru je prvním rozhodnutím volba, zda má průchod dědit z TransformationPass nebo AnalysisPass. Transformační průchody jsou navrženy pro modifikaci Circuit, zatímco analytické průchody slouží pouze k extrakci informací pro použití v následných průchodech. Hlavní funkcionalita je poté implementována v metodě run(dag). Nakonec by měl být průchod zaregistrován v modulu qiskit.transpiler.passes.
V tomto konkrétním průchodu je DAG procházen vrstvu po vrstvě (kde každá vrstva obsahuje operace působící na disjunktních množinách Qubitů, které lze tedy vykonávat nezávisle). Pro každou operaci, která nesplňuje omezení coupling mapy, je identifikována vhodná swapová cesta a jsou vloženy potřebné swapy k přivedení zúčastněných Qubitů do sousedství.
from qiskit.transpiler.basepasses import TransformationPass
from qiskit.transpiler import Layout
from qiskit.circuit.library import SwapGate
class BasicSwap(TransformationPass):
def __init__(self, coupling_map, initial_layout=None):
super().__init__()
self.coupling_map = coupling_map
self.initial_layout = initial_layout
def run(self, dag):
new_dag = DAGCircuit()
for qreg in dag.qregs.values():
new_dag.add_qreg(qreg)
for creg in dag.cregs.values():
new_dag.add_creg(creg)
if self.initial_layout is None:
self.initial_layout = Layout.generate_trivial_layout(
*dag.qregs.values()
)
current_layout = self.initial_layout.copy()
for layer in dag.serial_layers():
subdag = layer["graph"]
for gate in subdag.two_qubit_ops():
q0, q1 = gate.qargs
p0 = current_layout[q0]
p1 = current_layout[q1]
if self.coupling_map.distance(p0, p1) != 1:
path = self.coupling_map.shortest_undirected_path(p0, p1)
for i in range(len(path) - 2):
wire1, wire2 = path[i], path[i + 1]
qubit1 = current_layout[wire1]
qubit2 = current_layout[wire2]
new_dag.apply_operation_back(
SwapGate(), qargs=[qubit1, qubit2]
)
current_layout.swap(wire1, wire2)
new_dag.compose(
subdag, qubits=current_layout.reorder_bits(new_dag.qubits)
)
return new_dag
Průchod lze nyní otestovat na malém ukázkovém Circuit. Je sestaven pass manager s nově definovaným průchodem. Ukázkový Circuit je poté předán tomuto pass manageru a na výstupu je získán nový, transformovaný Circuit.
from qiskit.transpiler import CouplingMap, PassManager
from qiskit import QuantumRegister, QuantumCircuit
q = QuantumRegister(7, "q")
in_circ = QuantumCircuit(q)
in_circ.h(q[0])
in_circ.cx(q[0], q[4])
in_circ.cx(q[2], q[3])
in_circ.cx(q[6], q[1])
in_circ.cx(q[5], q[0])
in_circ.rz(0.1, q[2])
in_circ.cx(q[5], q[0])
coupling = [[0, 1], [1, 2], [2, 3], [3, 4], [4, 5], [5, 6]]
coupling_map = CouplingMap(couplinglist=coupling)
pm = PassManager()
pm.append(BasicSwap(coupling_map))
out_circ = pm.run(in_circ)
in_circ.draw(output="mpl")
out_circ.draw(output="mpl")
Další kroky
- Prostuduj si průvodce vytvářením vlastního průchodu Transpileru
- Nauč se, jak vytvářet a transpilovat vlastní Backend
- Vyzkoušej průvodce Porovnání nastavení Transpileru.
- Prostuduj si dokumentaci API DAG Circuit.