التعامل مع الـ DAGs في مراحل الـ Transpiler

في Qiskit، تُمثَّل الدوائر الكمية داخل أطوار الـ Transpiler باستخدام هياكل تُعرف بالـ DAG. بشكل عام، يتكون الـ DAG من رؤوس (تُسمى أيضاً "عقد" أو nodes) وحواف موجَّهة تربط أزواج الرؤوس في اتجاه معين. يُخزَّن هذا التمثيل في كائنات qiskit.dagcircuit.DAGCircuit مؤلَّفة من كائنات DagNode فردية. وتتمثل ميزة هذا التمثيل على مجرد قائمة بوابات (أي netlist) في أنه يجعل تدفق المعلومات بين العمليات صريحاً وواضحاً، مما يُسهّل اتخاذ قرارات التحويل.

يوضح هذا الدليل كيفية التعامل مع الـ DAGs واستخدامها لكتابة مراحل Transpiler مخصصة. سنبدأ ببناء دائرة بسيطة وفحص تمثيلها كـ DAG، ثم نستعرض العمليات الأساسية على الـ DAG، وننتهي بتطبيق مرحلة BasicMapper مخصصة.

بناء دائرة وفحص الـ DAG الخاص بها

يوضح مقتطف الكود التالي الـ DAG عبر إنشاء دائرة بسيطة تُهيئ حالة Bell وتطبّق دوران $R_Z$ بناءً على نتيجة القياس.

إصدارات الحزم

تم تطوير الكود في هذه الصفحة باستخدام المتطلبات التالية. ننصح باستخدام هذه الإصدارات أو أحدث منها.

qiskit[all]~=2.5.2

# Added by doQumentation — installs the packages this notebook needs if they are missing
import importlib.util

_needed = {"qiskit": "qiskit"}
_missing = [pip for module, pip in _needed.items()
            if importlib.util.find_spec(module) is None]
# One at a time, so a package that fails to install does not block the others
for _pip in _missing:
    %pip install -q {_pip}
if not _missing:
    print("\u2713 All required packages are installed")

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")

في الرسم البياني اللاحلقي الموجه (DAG)، توجد ثلاثة أنواع من عُقد الرسم البياني: عُقد إدخال qubit/clbit (خضراء)، وعُقد العمليات (زرقاء)، وعُقد الإخراج (حمراء). تشير كل حافة إلى تدفق البيانات (أو الاعتماد) بين عُقدتين. استخدم الدالة qiskit.tools.visualization.dag_drawer() لعرض DAG الخاص بهذه الدائرة. (ثبّت مكتبة Graphviz لتشغيل ذلك.)

# Convert to DAG
dag = circuit_to_dag(circ)
dag_drawer(dag)

العمليات الأساسية على الـ DAG

توضح أمثلة الكود التالية العمليات الشائعة على الـ DAGs، بما فيها الوصول إلى العقد وإضافة العمليات واستبدال الدوائر الفرعية. وتشكّل هذه العمليات الأساس لبناء مراحل الـ Transpiler.

الحصول على جميع عقد العمليات في الـ DAG

تُعيد الدالة op_nodes() قائمة قابلة للتكرار من كائنات DAGOpNode الموجودة في الدائرة:

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 0x12559c410>, 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>))]

كل عقدة هي مثيل من الفئة 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 0x12559f490>, 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)

إضافة عملية إلى النهاية

تُضاف العملية إلى نهاية الـ DAGCircuit باستخدام الدالة apply_operation_back(). تُلحق هذه الدالة البوابة المحددة لتعمل على الـ qubits المعطاة بعد جميع العمليات الموجودة في الدائرة.

from qiskit.circuit.library import HGate

dag.apply_operation_back(HGate(), qargs=[q[0]])
dag_drawer(dag)

إضافة عملية إلى البداية

تُضاف العملية إلى بداية الـ DAGCircuit باستخدام الدالة apply_operation_front(). تُدرج هذه الدالة البوابة المحددة قبل جميع العمليات الموجودة في الدائرة، مما يجعلها أول عملية تُنفَّذ فعلياً.

from qiskit.circuit.library import CCXGate

dag.apply_operation_front(CCXGate(), qargs=[q[0], q[1], q[2]])
dag_drawer(dag)

استبدال عقدة بدائرة فرعية

تُستبدل العقدة التي تمثل عملية معينة في الـ DAGCircuit بدائرة فرعية. أولاً، يُبنى DAG فرعي جديد يحتوي على تسلسل البوابات المطلوب، ثم تُستبدل العقدة المستهدفة بهذا الـ DAG الفرعي باستخدام substitute_node_with_dag()، مع الحفاظ على الاتصالات بباقي الدائرة.

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)

بعد اكتمال جميع التحويلات، يمكن تحويل الـ DAG مجدداً إلى كائن QuantumCircuit اعتيادي. وهكذا يعمل خط أنابيب الـ Transpiler: تُؤخذ دائرة، تُعالَج على شكل DAG، ثم تُنتج دائرة محوَّلة كمخرج.

from qiskit.converters import dag_to_circuit

new_circ = dag_to_circuit(dag)
circuit_drawer(new_circ, output="mpl")

تطبيق مرحلة BasicMapper

يمكن الاستفادة من بنية الـ DAG لكتابة مراحل Transpiler. في المثال أدناه، تُطبَّق مرحلة BasicMapper لربط دائرة اعتباطية بجهاز له قيود على الاتصال بين الـ qubits. للمزيد من التوجيه، راجع دليل كتابة مراحل Transpiler مخصصة.

تُعرَّف المرحلة على أنها TransformationPass، أي أنها تُعدِّل الدائرة. يتم ذلك بالمرور عبر الـ DAG طبقة تلو الأخرى، والتحقق مما إذا كانت كل تعليمة تستوفي القيود التي تفرضها خريطة الاقتران الخاصة بالجهاز. فإن اكتُشف انتهاك، يُحدَّد مسار التبديل المناسب وتُدرج بوابات SWAP اللازمة وفقاً لذلك.

عند إنشاء مرحلة Transpiler، يكون القرار الأول هو اختيار ما إذا كانت المرحلة يجب أن ترث من TransformationPass أو AnalysisPass. صُمِّمت مراحل التحويل لتعديل الدائرة، في حين صُمِّمت مراحل التحليل فقط لاستخراج المعلومات لاستخدامها من قِبل المراحل اللاحقة. ثم تُطبَّق الوظيفة الرئيسية في الدالة run(dag). وأخيراً، يجب تسجيل المرحلة ضمن وحدة qiskit.transpiler.passes.

في هذه المرحلة تحديداً، يُجتاز الـ DAG طبقة تلو الأخرى (حيث تحتوي كل طبقة على عمليات تعمل على مجموعات منفصلة من الـ qubits ويمكن بالتالي تنفيذها بشكل مستقل). لكل عملية، إذا لم تُستوفَ قيود خريطة الاقتران، يُحدَّد مسار تبديل مناسب وتُدرج عمليات التبديل اللازمة لجعل الـ qubits المعنية متجاورة.

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

يمكن الآن اختبار هذه المرحلة على دائرة مثال صغيرة. يُنشأ مدير مراحل (pass manager) يتضمن المرحلة المعرَّفة حديثاً. ثم تُمرَّر الدائرة المثال إلى هذا المدير، فتُنتج دائرة جديدة محوَّلة كمخرج.

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")

الخطوات التالية

توصيات

• راجع الدليل حول إنشاء مرحلة Transpiler مخصصة
• تعلّم كيفية إنشاء Backends مخصصة والـ Transpile إليها
• جرّب دليل مقارنة إعدادات الـ Transpiler.
• راجع توثيق DAG Circuit API.