Přeskočit na hlavní obsah

Reprezentace kvantových počítačů pro Transpiler

Verze balíčků

Kód na této stránce byl vyvinut s použitím následujících závislostí. Doporučujeme používat tyto verze nebo novější.

qiskit[all]~=2.3.0
qiskit-ibm-runtime~=0.43.1

Aby mohl Transpiler převést abstraktní Circuit na ISA circuit, který lze spustit na konkrétní QPU (quantum processing unit), potřebuje určité informace o QPU. Tyto informace se nacházejí na dvou místech: v objektu BackendV2 (nebo starším BackendV1), na který plánuješ odesílat úlohy, a v atributu Target daného backendu.

  • Target obsahuje všechna relevantní omezení zařízení, jako jsou jeho nativní basis gates, konektivita Qubitů a informace o pulzech nebo časování.
  • Backend má Target jako výchozí součást, obsahuje další informace -- například InstructionScheduleMap, a poskytuje rozhraní pro odesílání úloh kvantových Circuit.

Můžeš také explicitně poskytnout informace, které má Transpiler použít -- například pokud máš specifický případ použití nebo se domníváš, že tyto informace pomohou Transpileru vygenerovat optimalizovanější Circuit.

Přesnost, s níž Transpiler vytváří nejvhodnější Circuit pro konkrétní hardware, závisí na tom, kolik informací o svých omezeních má daný Target nebo Backend k dispozici.

poznámka

Protože mnoho základních algoritmů transpilace je stochastických, není zaručeno, že bude nalezen lepší circuit.

Tato stránka ukazuje několik příkladů předávání informací o QPU do Transpileru. Tyto příklady používají target z mockového backendu FakeSherbrooke.

Výchozí konfigurace​

Nejjednodušší způsob použití Transpileru je poskytnout veškeré informace o QPU předáním Backend nebo Target. Abys lépe pochopil/a, jak Transpiler funguje, sestav Circuit a proveď transpilaci s různými informacemi, jak je popsáno níže.

Importuj potřebné knihovny a vytvoř instanci QPU: Aby mohl Transpiler převést abstraktní Circuit na ISA circuit, který lze spustit na konkrétním procesoru, potřebuje určité informace o procesoru. Tyto informace jsou obvykle uloženy v Backend nebo Target předaném Transpileru a žádné další informace nejsou potřeba. Můžeš ale také explicitně poskytnout informace, které má Transpiler použít -- například pokud máš specifický případ použití nebo se domníváš, že tyto informace pomohou Transpileru vygenerovat optimalizovanější Circuit.

Toto téma ukazuje několik příkladů předávání informací Transpileru. Tyto příklady používají target z mockového backendu FakeSherbrooke.

# Added by doQumentation — required packages for this notebook
!pip install -q qiskit qiskit-ibm-runtime
from qiskit_ibm_runtime.fake_provider import FakeSherbrooke

backend = FakeSherbrooke()
target = backend.target

Ukázkový Circuit používá instanci efficient_su2 z knihovny Circuit Qikit.

from qiskit.circuit.library import efficient_su2

qc = efficient_su2(12, entanglement="circular", reps=1)

qc.draw("mpl")

Output of the previous code cell

Tento příklad používá výchozí nastavení pro transpilaci do target backendu, který poskytuje veškeré informace potřebné k převodu Circuit do podoby, jež bude na backendu spustitelná.

from qiskit.transpiler import generate_preset_pass_manager

pass_manager = generate_preset_pass_manager(
    optimization_level=1, target=target, seed_transpiler=12345
)
qc_t_target = pass_manager.run(qc)
qc_t_target.draw("mpl", idle_wires=False, fold=-1)

Output of the previous code cell

Tento příklad je využíván v dalších částech tohoto tématu k ilustraci toho, že coupling map a basis gates jsou zásadní informace, které je třeba předat Transpileru pro optimální sestavení Circuit. QPU obvykle dokáže pro ostatní nepředané informace, jako je časování a plánování, zvolit výchozí nastavení.

Coupling map​

Coupling map je graf znázorňující, které Qubity jsou propojeny, a tedy mají mezi sebou dvouqubitové Gate. Někdy je tento graf orientovaný, což znamená, že dvouqubitové Gate mohou být aplikovány pouze v jednom směru. Transpiler však dokáže směr Gate vždy otočit přidáním dalších jednoqubitových Gate. Abstraktní kvantový Circuit lze vždy reprezentovat na tomto grafu, i když je jeho konektivita omezená, a to vložením SWAP Gate pro přesun kvantové informace.

Qubity z našich abstraktních Circuit se nazývají virtuální Qubity a ty v coupling map jsou fyzické Qubity. Transpiler zajišťuje mapování mezi virtuálními a fyzickými Qubity. Jedním z prvních kroků transpilace je fáze layout, která toto mapování provádí.

poznámka

Ačkoli je fáze routování propojena s fází layout -- která vybírá skutečné Qubity -- toto téma je pro jednoduchost ve výchozím nastavení považuje za oddělené fáze. Kombinace routování a layoutu se nazývá qubit mapping. Více o těchto fázích se dozvíš v tématu Fáze Transpileru.

Předej argument coupling_map pro zobrazení jeho vlivu na Transpiler:

coupling_map = target.build_coupling_map()

pass_manager = generate_preset_pass_manager(
    optimization_level=0, coupling_map=coupling_map, seed_transpiler=12345
)
qc_t_cm_lv0 = pass_manager.run(qc)
qc_t_cm_lv0.draw("mpl", idle_wires=False, fold=-1)

Output of the previous code cell

Jak je vidět výše, bylo vloženo několik SWAP Gate (každá se skládá ze tří CX Gate), což způsobí na současných zařízeních velké množství chyb. Chceš-li zjistit, které Qubity jsou vybrány na skutečné topologii Qubitů, použij plot_circuit_layout z Qiskit Visualizations:

from qiskit.visualization import plot_circuit_layout

plot_circuit_layout(qc_t_cm_lv0, backend, view="physical")

Output of the previous code cell

Toto ukazuje, že naše virtuální Qubity 0–11 byly triviálně namapovány na řadu fyzických Qubitů 0–11. Vraťme se k výchozímu nastavení (optimization_level=1), které používá VF2Layout, je-li potřeba jakékoli routování.

pass_manager = generate_preset_pass_manager(
    optimization_level=1, coupling_map=coupling_map, seed_transpiler=12345
)
qc_t_cm_lv1 = pass_manager.run(qc)
qc_t_cm_lv1.draw("mpl", idle_wires=False, fold=-1)

Output of the previous code cell

Nyní nejsou vloženy žádné SWAP Gate a vybrané fyzické Qubity jsou stejné jako při použití třídy target.

from qiskit.visualization import plot_circuit_layout

plot_circuit_layout(qc_t_cm_lv1, backend, view="physical")

Output of the previous code cell

Nyní je layout v kruhu. Protože tento layout respektuje konektivitu Circuit, nejsou vloženy žádné SWAP Gate, což poskytuje mnohem lepší Circuit pro spuštění.

Basis gates​

Každý kvantový počítač podporuje omezený instrukční set, nazývaný jeho basis gates. Každá Gate v Circuit musí být přeložena na prvky tohoto setu. Tento set by měl obsahovat jednoqubitové a dvouqubitové Gate, které tvoří univerzální set Gate -- to znamená, že jakákoli kvantová operace může být rozložena do těchto Gate. Toto zajišťuje BasisTranslator a basis gates lze jako argument Transpileru zadat explicitně.

basis_gates = list(target.operation_names)
print(basis_gates)
['sx', 'switch_case', 'x', 'if_else', 'measure', 'for_loop', 'delay', 'ecr', 'id', 'reset', 'rz']

Výchozí jednoqubitové Gate na ibm_sherbrooke jsou rz, x a sx, výchozí dvouqubitová Gate je ecr (echoed cross-resonance). CX Gate jsou sestaveny z ecr Gate, takže na některých QPU je ecr zadána jako dvouqubitová basis gate, zatímco na jiných je výchozí cx. Gate ecr je entanglující částí Gate cx. Kromě řídících Gate existují také instrukce delay a measurement.

poznámka

QPU mají výchozí basis gates, ale můžeš si zvolit libovolné Gate -- za předpokladu, že poskytneš příslušnou instrukci nebo přidáš pulzní Gate (viz Tvorba vlastních průchodů Transpileru.) Výchozí basis gates jsou ty, pro které byly na QPU provedeny kalibrace, takže není třeba poskytovat žádné další instrukce ani pulzní Gate. Například na některých QPU je výchozí dvouqubitová Gate cx, na jiných ecr. Viz seznam možných nativních Gate a operací pro více podrobností.

pass_manager = generate_preset_pass_manager(
    optimization_level=1,
    coupling_map=coupling_map,
    basis_gates=basis_gates,
    seed_transpiler=12345,
)
qc_t_cm_bg = pass_manager.run(qc)
qc_t_cm_bg.draw("mpl", idle_wires=False, fold=-1)

Output of the previous code cell

Všimni si, že objekty CXGate byly rozloženy na Gate ecr a jednoqubitové basis gates.

Chybovosti zařízení​

Třída Target může obsahovat informace o chybovostech operací na zařízení. Například následující kód načte vlastnosti Gate echoed cross-resonance (ECR) mezi Qubitem 1 a 0 (všimni si, že Gate ECR je orientovaná):

target["ecr"][(1, 0)]
InstructionProperties(duration=5.333333333333332e-07, error=0.007494257741828603)

Výstup zobrazuje dobu trvání Gate (v sekundách) a její chybovost. Chceš-li zpřístupnit informace o chybách Transpileru, sestav model target s basis_gates a coupling_map z výše uvedeného kódu a naplň jej hodnotami chyb z backendu FakeSherbrooke.

from qiskit.transpiler import Target
from qiskit.circuit.controlflow import IfElseOp, SwitchCaseOp, ForLoopOp

err_targ = Target.from_configuration(
    basis_gates=basis_gates,
    coupling_map=coupling_map,
    num_qubits=target.num_qubits,
    custom_name_mapping={
        "if_else": IfElseOp,
        "switch_case": SwitchCaseOp,
        "for_loop": ForLoopOp,
    },
)

for i, (op, qargs) in enumerate(target.instructions):
    if op.name in basis_gates:
        err_targ[op.name][qargs] = target.instruction_properties(i)

Proveď transpilaci s naším novým targetem err_targ jako cílovým targetem:

pass_manager = generate_preset_pass_manager(
    optimization_level=1, target=err_targ, seed_transpiler=12345
)
qc_t_cm_bg_et = pass_manager.run(qc)
qc_t_cm_bg_et.draw("mpl", idle_wires=False, fold=-1)

Output of the previous code cell

Protože target obsahuje informace o chybách, průchod VF2PostLayout se pokusí najít optimální Qubity k použití, výsledkem je stejný Circuit, který byl původně nalezen se stejnými fyzickými Qubity.

Další kroky​

Doporučení
Zdroj: IBM Quantum docs — aktualizováno 15. 5. 2026
Anglická verze na doQumentation — aktualizováno 15. 5. 2026
Tento překlad vychází z anglické verze ze dne 11. 3. 2026
Problém s webem nebo překladem?Problém v obsahu? Upravit v IBM Quantum docs