نموذج إيزينغ بالحقل المستعرض مع إدارة الأداء من Q-CTRL
تقدير الاستخدام: دقيقتان على معالج Heron r2. (ملاحظة: هذا تقدير فقط. قد يختلف وقت التشغيل الفعلي.)
الخلفية النظرية
يُعدّ نموذج إيزينغ بالحقل المستعرض (TFIM) أداةً مهمة لدراسة المغناطيسية الكمومية والتحولات الطورية. يصف هذا النموذج مجموعةً من العزوم المغزلية المرتبة على شبكة بلورية، حيث يتفاعل كل عزم مغزلي مع جيرانه بينما يتأثر في آنٍ واحد بمجال مغناطيسي خارجي يُحفّز التقلبات الكمومية.
يشيع استخدام تحليل Trotter لمحاكاة هذا النموذج، إذ يُقرّب مؤثر التطور الزمني من خلال بناء دوائر تتناوب بين دورات أحادية الكيوبت وتفاعلات ثنائية الكيوبت متشابكة. غير أن إجراء هذه المحاكاة على عتاد حقيقي يظل تحدياً بسبب الضجيج وفقدان الترابط الكمومي، مما يُفضي إلى انحرافات عن الديناميكيات الحقيقية. للتغلب على ذلك، نستخدم أدوات قمع الأخطاء وإدارة الأداء من Fire Opal التابعة لـ Q-CTRL، المتاحة بوصفها دالة Qiskit (انظر توثيق Fire Opal). تُحسّن Fire Opal تلقائياً تنفيذ الدوائر من خلال تطبيق تقنيات مثل الفصل الديناميكي والتخطيط المتقدم والتوجيه وأساليب أخرى لقمع الأخطاء، وكلها تهدف إلى تقليل الضجيج. بفضل هذه التحسينات، تتوافق نتائج العتاد الحقيقي بصورة أكثر دقة مع المحاكاة الخالية من الضجيج، مما يُمكّننا من دراسة ديناميكيات مغنطة نموذج TFIM بدقة عالية.
في هذا البرنامج التعليمي سنقوم بما يلي:
- بناء هاميلتوني TFIM على رسم بياني من مثلثات العزوم المغزلية المترابطة
- محاكاة التطور الزمني باستخدام دوائر Trotter بعمق متفاوت
- حساب مغنطة الكيوبتات المفردة وتمثيلها بيانياً عبر الزمن
- مقارنة المحاكاة الأساسية بالنتائج المستخرجة من تشغيل العتاد الحقيقي باستخدام إدارة أداء Fire Opal من Q-CTRL
نظرة عامة
نموذج إيزينغ بالحقل المستعرض (TFIM) هو نموذج دوران كمومي يلتقط السمات الجوهرية للتحولات الطورية الكمومية. يُعرَّف الهاميلتوني على النحو الآتي:
حيث و هما مؤثرا باولي يعملان على الكيوبت ، و هي قوة الاقتران بين العزوم المغزلية المجاورة، و هي شدة المجال المغناطيسي المستعرض. يمثّل الحد الأول التفاعلات الحديدية المغناطيسية الكلاسيكية، بينما يُدخل الحد الثاني التقلبات الكمومية عبر الحقل المستعرض. لمحاكاة ديناميكيات TFIM، نستخدم تحليل Trotter لمؤثر التطور الوحدوي ، المُنفَّذ عبر طبقات من بوابات RX وRZZ استناداً إلى رسم بياني مخصص من مثلثات العزوم المغزلية المترابطة. يستكشف هذا التنفيذ كيف تتطور المغنطة مع تزايد خطوات Trotter.
يُقيَّم أداء تطبيق TFIM المقترح بمقارنة المحاكاة الخالية من الضجيج مع الخلفيات الضوضائية. تُستخدم ميزات التنفيذ المحسّن وقمع الأخطاء في Fire Opal للتخفيف من أثر الضجيج في العتاد الحقيقي، مما يُنتج تقديرات أكثر موثوقية لمتوسطات المتغيرات الكمومية مثل والمترابطات .
المتطلبات
قبل البدء في هذا البرنامج التعليمي، تأكد من تثبيت ما يلي:
- Qiskit SDK الإصدار 1.4 أو أحدث، مع دعم التصور
- Qiskit Runtime الإصدار 0.40 أو أحدث (
pip install qiskit-ibm-runtime) - Qiskit Functions Catalog الإصدار 0.9.0 (
pip install qiskit-ibm-catalog) - Fire Opal SDK الإصدار 9.0.2 أو أحدث (
pip install fire-opal) - Q-CTRL Visualizer الإصدار 8.0.2 أو أحدث (
pip install qctrl-visualizer)
الإعداد
أولاً، قم بالمصادقة باستخدام مفتاح IBM Quantum API. ثم اختر دالة Qiskit كما يلي. (يفترض هذا الكود أنك قد حفظت حسابك مسبقاً في بيئتك المحلية.)
# Added by doQumentation — required packages for this notebook
!pip install -q matplotlib networkx numpy qctrlvisualizer qiskit qiskit-aer qiskit-ibm-catalog qiskit-ibm-runtime
from qiskit.transpiler.preset_passmanagers import generate_preset_pass_manager
from qiskit import QuantumCircuit
from qiskit_ibm_catalog import QiskitFunctionsCatalog
from qiskit_ibm_runtime import QiskitRuntimeService
from qiskit_ibm_runtime import SamplerV2 as Sampler
from qiskit.quantum_info import SparsePauliOp
from qiskit_aer import AerSimulator
import numpy as np
import networkx as nx
import matplotlib.pyplot as plt
import qctrlvisualizer as qv
catalog = QiskitFunctionsCatalog(channel="ibm_quantum_platform")
# Access Function
perf_mgmt = catalog.load("q-ctrl/performance-management")