如何在 qiskit 中从 np.array 创建单一门？

Question

大家好：Cirq 提供了一种从数组创建单一门的方法。我尝试在 Qiskit 中做同样的事情，但没能完全做到。这是一个示例代码，到目前为止我可以放在一起。另外，有没有办法用这个单一的从 q[0] 到 q[1] 应用受控操作？或者为此目的创建一个特定的标记门以在电路中使用？如果是这样，怎么做？非常感谢！

from qiskit.extensions import *
U2x2 = np.array([[0.998762, -0.049745], [-0.049745, -0.998762]])
# Still not sure how to use this, though it compiles
gate2x2 = UnitaryGate(U2x2)

# The best I could do so far was this:
# Create the quantum circuit
q = QuantumRegister(2)
c = ClassicalRegister(2)
qc = QuantumCircuit(q, c)

qc.unitary(U2x2, range(1))
qc.measure(q[0], c[0])

Answer 1

如果您只想从数组中获得常规的单一门，我相信您使用 qc.unitary(U2x2, range(1)) 的实现是正确的。实例化 UnitaryGate 似乎已经在 qc.unitary() 调用中完成，所以只需调用 qc.unitary() 就可以了。

但是，如果您想要这个单一门的受控版本，我发现手动实例化 UnitaryGate 然后向该门添加控件可以正常工作。类似的东西应该可以工作：

from qiskit.circuit.add_control import add_control

gate2x2 = UnitaryGate(U2x2)
gate2x2_ctrl = add_control(gate2x2, 1)

qc.append(gate2x2_ctrl, [q[0], q[1]])

Here 是add_control() 的源代码，如果您想了解更多信息。

Answer 2

事实证明，以下是可行的，但门的应用方式与直觉相反。这可能是 Qiskit 中位排序的结果，这似乎导致了非常不标准的实现，所以要小心！具体来说，测试以下代码（您可以使用注释掉的x() 门将量子位转换为|1>）：

q = QuantumRegister(2, 'q')
c = ClassicalRegister(2, 'c')

U4x4 = np.array( [[0, 1, 0, 0], [1, 0, 0, 0], 
                  [0, 0, 0, 1], [0, 0, 1, 0]] )

qc = QuantumCircuit(q,c)
qc.x(q[0])
#qc.x(q[1])

gate4x4 = UnitaryGate(U4x4)
qc.append(gate4x4, [q[0], q[1]] )
qc.measure(q[0],c[0])
qc.measure(q[1],c[1])
qc.draw()

仅通过查看矩阵，您可以看到它应该具有以下输出：|00> -> |01>, |01> -> |00>, |10> -> |11> 和|11> -> |10>，其中第一位，即|ab> 中的a 表示在q[0] 上测量的值。换句话说，如果输入是q[0]=|1> 和q[1]=|0>，人们会期望标准基础中的输入状态是（列向量）(0;0;1;0)，所以输出是(0;0;0;1)。但是通过在 Aer 上进行模拟来尝试一下，您会发现情况并非如此。如图所示，使用qc.x(q[0])，输出为(0;0;0;0)。要获得预期的输出，您需要在 [q[1], q[0]] 上使用 append。虽然这肯定可以由知道的人处理，但我认为这完全令人困惑。

这是此门的受控版本。同样，请注意 append 指令中所需的（非常不直观的）量子比特的逆序，以便第一个量子比特 q[0] 充当控制。

q = QuantumRegister(3, 'q')
c = ClassicalRegister(3, 'c')

U4x4 = np.array( [[0, 1, 0, 0], [1, 0, 0, 0], 
                  [0, 0, 0, 1], [0, 0, 1, 0]] )
k = 4
# This makes a controlled variant of the matrix
C_U = np.vstack([np.hstack([np.eye(k),       np.zeros((k,k))]), 
                 np.hstack([np.zeros((k,k)), U4x4])])

qc = QuantumCircuit(q,c)
#qc.x(q[0])

gate3Q = UnitaryGate(C_U)
qc.x(q[0])
qc.append(gate3Q, [q[2], q[1], q[0]] )
qc.measure(q[0],c[0])
qc.measure(q[1],c[1])
qc.measure(q[2],c[2])
qc.draw()

通过运行此代码（并打开和关闭x(q[0]) 等），您可以轻松地自己确认发生了什么

backend = BasicAer.get_backend('qasm_simulator')
shots = 2048
results = execute(qc, backend=backend, shots=shots).result()
answer = results.get_counts()
print(answer)
plot_histogram(answer)

通过查看C_U 和append 的定义，似乎第一个量子位q[2] 应该是控制。但不，是q[0]。为了进一步参考，这是我正在运行的 Qiskit 版本：

{'qiskit-terra': '0.11.0',
 'qiskit-aer': '0.3.4',
 'qiskit-ignis': '0.2.0',
 'qiskit-ibmq-provider': '0.4.4',
 'qiskit-aqua': '0.6.1',
 'qiskit': '0.14.0'}