Como criar modelos de ruído para simulações quânticas no QDK

O Microsoft Quantum Development Kit (QDK) inclui um conjunto de simuladores quânticos que modelam como seu programa é executado em um computador quântico. Os programas executados em um computador quântico sempre incluem algum tipo e grau de ruído. O QDKPython pacote permite que você crie modelos de ruído personalizados para usar em suas simulações por meio da NoiseConfig API.

Para obter instruções sobre como instalar e usar os QDK simuladores, consulte Como instalar e executar os QDK simuladores quânticos.

Tipos de ruído

Cada operação ou instrução em um programa quântico pode introduzir ruído. A tabela a seguir lista todas as operações e instruções para as quais você pode definir ruído.

Com NoiseConfig, você pode aplicar quatro tipos diferentes de ruído às operações anteriores com probabilidades específicas. A tabela a seguir lista os parâmetros de tipo de ruído com NoiseConfigos quais você pode definir, incluindo um parâmetro sem ruído.

O ruído ocorre após a operação de origem, e não substitui a operação de origem. Por exemplo, noise.z.x significa que o programa aplica o portão $Z$ pretendido ao qubit e aplica uma porta $X$ não intencional ao qubit. Como o ruído se aplica após a origem, você pode configurar o ruído que tem o mesmo efeito que a origem. Por exemplo, o noise.x.x aplica uma inversão de bit não intencional após a inversão de bit intencional.

Criar um modelo de ruído

Para criar um modelo de ruído para uma simulação e exibir os efeitos desse ruído nos resultados do seu programa quântico, siga estas etapas.

1. In VS Code, abra o menu Exibir e escolha Paleta de Comandos.

2. Insira Criar: Novo Jupyter Notebook. Um arquivo Jupyter Notebook vazio é aberto em uma nova guia.

3. Na primeira célula do notebook, importe os objetos necessários Python .

   from qdk import init, TargetProfile
   from qdk.openqasm import compile
   from qdk.simulation import NoiseConfig, run_qir
   from qdk.widgets import Histogram
   

4. Em uma nova célula, defina o perfil de destino qir do dispositivo e compile seu circuito OpenQASM em QIR.

   init(target_profile=TargetProfile.Base)
   
   qasm_src = """
   include "stdgates.inc";
   qubit[2] qs;
   bit[2] r;
   
   h qs[0];
   cx qs[0], qs[1];
   r = measure qs;
   """
   
   qir = compile(qasm_src)
   

5. Crie um NoiseConfig objeto e crie seu modelo de ruído.

   noise = NoiseConfig()
   
   noise.h.x = 0.01
   noise.cx.zi = 0.02
   

   Esse código produz o seguinte modelo de ruído, em que a taxa de ruído é a probabilidade de a origem causar o tipo correspondente de ruído.

   Fonte de ruído	Tipo de ruído	Taxa de ruído
   porta $H$	Inversão de bit	1%
   porta $CX$	Inversão de fase no qubit de controle	2%

6. Execute o simulador com o modelo de ruído e exiba um histograma dos resultados da medida. Por exemplo, execute o código a seguir para simular 1.000 fotos do seu programa no simulador Clifford.

   results = run_qir(qir, shots=1000, noise=noise, type="clifford")
   Histogram(results, labels="kets")
   

7. Para comparar os resultados barulhentos com uma simulação sem ruído, execute a simulação novamente sem nenhum modelo de ruído.

   results = run_qir(qir, shots=1000, type="clifford")
   Histogram(results, labels="kets")
   

Definir vários tipos de ruído na mesma origem

Você pode modelar diferentes tipos de ruído na mesma origem, com probabilidades diferentes para cada tipo de ruído. Por exemplo, o código a seguir define uma probabilidade de 1% de ocorrer uma inversão de bit e uma probabilidade de 3% de ocorrer uma inversão de fase após uma porta Hadamard.

noise.h.x = 0.01
noise.h.z = 0.03

Quando você configura vários tipos de ruído para a mesma operação, apenas um tipo de ruído pode se aplicar a cada operação em seu programa. Por exemplo, cada porta Hadamard pode ter ruído $X$ ou ruído $Z$, mas não ambos.

Funções de modelo de ruído

Em vez de parâmetros de modelo de ruído, você pode usar o seguinte conjunto de funções de ruído para criar seu modelo de ruído.

Definir o ruído de Pauli

Para incluir ruído de Pauli no seu modelo, chame a função set_pauli_noise em uma porta ou operação de movimento.

Para operações de um único qubit, informe uma string de Pauli de um caractere e uma taxa de ruído. Por exemplo, o código a seguir define uma chance de 1% de ocorrer uma inversão de bits durante a movimentação do qubit.

# Equivalent to: noise.mov.x = 0.01
noise.mov.set_pauli_noise('X', 0.01)

Para operações de dois qubits, informe uma string de Pauli de dois caracteres e uma taxa de ruído. O primeiro caractere da cadeia de caracteres Pauli corresponde ao ruído no qubit de controle e o segundo caractere corresponde ao ruído no qubit de destino. Por exemplo, o código a seguir define inversões de fase correlacionadas após 1% das operações $CX$.

# Equivalent to: noise.cx.zz = 0.01
noise.cx.set_pauli_noise('ZZ', 0.01)

Definir o ruído de despolarização

A set_depolarizing função define taxas de ruído iguais, mas não relacionadas, para todos os três tipos de ruído Pauli. Por exemplo, o código a seguir define uma chance de 3% de que o ruído Pauli ocorra após uma operação $H$, distribuída uniformemente como uma chance de 1% para cada um dos três tipos de ruído Pauli.

# Equivalent to:
#     noise.h.x = 0.01
#     noise.h.y = 0.01
#     noise.h.z = 0.01
noise.h.set_depolarizing(0.03)

Definir ruído de inversão de bit

Para definir a taxa de ruído de inversões de bit, use a função set_bitflip em uma porta ou operação de movimento. Por exemplo, o código a seguir define uma chance de 1% de que uma inversão de fase ocorra após uma operação $R_Z$.

# Equivalent to: noise.rz.x = 0.01
noise.rz.set_bitflip(0.01)

Definir ruído de inversão de fase

Para definir a taxa de ruído de inversões de fase em uma operação, use a função set_phaseflip em uma porta ou operação de movimento. Por exemplo, o código a seguir define uma chance de 1% de que uma inversão de fase ocorra após uma operação $R_Y$.

# Equivalent to: noise.ry.z = 0.01
noise.ry.set_phaseflip(0.01)

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