MISTIQS：量子计算机上的开源量子动力学模拟软件

软件X 14（2021）100696原始软件出版物MISTIQS：一个在量子计算机上进行量子动力学模拟的开源软件放大图片作者：a，b，c.接头a，Ken-ichi Nomuraa，放大图片创作者：Sahil Gulaniac，Rajiv K. Kaliaa，Aiichiro Nakanoa，Priya Vashishtaa美国南加州大学洛杉矶分校高级计算和模拟合作实验室，CA 90089-0242b劳伦斯伯克利国家实验室，伯克利，CA 94720，美国c南加州大学化学系，洛杉矶，CA 90089-1062，美国ar t i cl e i nf o文章历史记录：2020年12月3日收到2021年4月2日收到修订版，2021年保留字：量子力学模拟量子计算a b st ra ct我们提出了MISTIQS，一个多平台的时间相关的量子模拟软件。MISTIQS提供端到端功能，用于模拟由多个量子计算平台上的时间相关海森堡哈密顿所控制的系统的量子多体动力学。它提供了高级编程功能，用于生成量子电路的中间表示此外，它还提供了一系列电路编译和优化方法，并有助于在当前可用的基于云的量子计算后端上执行量子电路MISTIQS是一个可访问且高度灵活的研究和教育平台，允许更广泛的科学家和学生社区在当前的量子计算机上进行量子多体动力学模拟。版权所有©2021作者。由爱思唯尔公司出版这是CC BY-NC-ND下的开放获取文章许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。代码元数据当前代码版本v1.0永久链接到代码/存储库使用的此代码版本https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX-D-20-00090法律代码许可证MIT许可证代码版本控制系统使用git软件代码语言使用python编译要求，操作环境依赖Python 3.8，numpy，glob*，matplotlib*，qiskit*，pyquil*，cirq** 可选，取决于用例如果可用，链接到开发人员文档/手册https://github.com/USCCACS/MISTIQS/tree/master/docs问题支持电子邮件cdpowers@usc.edu软件元数据当前软件版本v1.0此版本可执行文件的永久链接https://github.com/USCCACS/MISTIQS法律软件许可证MIT许可证计算平台/操作系统Linux安装要求依赖Python 3.8，numpy，matplotlib*，qiskit*，pyquil*，cirq** 可选，取决于用例如果可用，用户手册链接-如果正式出版，请在参考列表中引用该出版物https://github.com/USCCACS/MISTIQS/tree/master/docs问题支持电子邮件cdpowers@usc.edu*通讯作者。电子邮件地址：knomura@usc.edu（Ken-ichiNomura）.https://doi.org/10.1016/j.softx.2021.1006961. 动机和意义随着谷歌2352-7110/©2021作者。由爱思唯尔公司出版。这是一篇开放获取的文章，使用CC BY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softx放大图片创作者：Thomas M.Linker等人软件X 14（2021）1006962我y我i+1I+我i+1] −h（t）∑σ（1）千量子比特，早在2023年，有越来越多的需求用于将量子计算机用于重要的科学应用。一个备受期待的应用是量子多体系统的通用模拟器，这一想法最初由Richard Feynman在20世纪80年代提出[2]，后来由Seth Lloyd提出[3]。近十年来，量子计算在模拟量子系统的静态特性方面取得了越来越大的成功，小分子的基态能 量[4 然 而， 在 当 前到 不 久的 将 来有 噪 声的 中 间尺 度量 子（NISQ）计算机上模拟量子多体动力学仍然是一个挑战。为了促进采用量子计算来研究量子动力学，我们开发了开源软件，在公开可用的IBM-Q和Rigetti量子计算机上执行非平凡的多体量子动力学。近年来，量子计算软件的前景已经迅速成熟，包括通用平台，例如用于开发量子电路的Cirq[11]，以及特定于问题的平台， 例如用 于解决量子计 算机上静态电 子结构问题 的OpenFermion[12]。然而，没有这样的平台广泛用于研究含时量子多体动力学。在这里，我们提出了MISTIQS（多平台软件的时间相关的量子模拟），一个开源软件包，用于模拟量子多体动力学的系统，可以由海森堡模型，一个无处不在的模型，捕捉各种量子材料和系统的行为表示。该软件的早期原型成功地用于模拟原子薄Re掺杂MoSe2单层中太赫兹辐射对紧急磁性的超快控制[13]，并且此后已扩展到模拟海森堡模型所描述的更广泛材料系统的动力学。MISTIQS还包括两个优化的量子电路编译器，用于模拟海森堡模型的一个子组，称为横向场伊辛模型（Tensor）。一个是针对IBM量子计算机的本机门集定制的，另一个是针对Rigetti量子计算机使用的门集定制的，因为每个门集都为Tdom动力学模拟的门模式特征中的电路压缩提供了不同的机会[14]。他们的电路压缩算法，在[14]中详细介绍，允许这些专用编译器显着减少电路的门数以模拟多体动力学，同时也显着减少了后端本地通用编译器的挂钟编译时间。减少门数对于NISQ器件特别重要，NISQ器件具有相对较大的门错误率（对于超导量子计算机上的单量子位门，范围从0.01%至0.1%在实践中，这意味着具有更大数量的门的量子电路倾向于累积更多的错误。因此，减少门计数的量子电路编译器可以通过减少复合门误差来实现NISQ器件上更准确的模拟[15]。总的来说，MISTIQS采用了一个用户友好的、面向对象的框架，用于在量子计算机上制定、优化和执行多体动力学模拟的量子电路，其目标是扩大教育，促进该领域研究的发展。2. 软件描述MISTIQS是用Python编写的，只根据每个用例的需要导入特定于后端的库。MISTIQS为海森堡模型哈密顿量控制的自旋系统的直接量子模拟提供了全栈解决方案，对于N个自旋采取以下形式：这里，Jx、Jy和Jz分别给出了x、y和z方向上最近邻自旋之间的交换相互作用强度上标k，可以是x、y或z，表示自旋所暴露的外部磁场的方向。这个场的依赖于时间的大小由h（t）给出，σk是作用在量子比特i上的第k个泡利矩阵。通过将自旋的状态映射到量子比特的状态，并将哈密顿依赖的时间演化算子转换为量子电路，可以在数字量子计算机上模拟由这类哈密顿模型建模的系统的动力学。在量子计算机上执行所得到的量子电路产生的结果可以进行后处理，以显示系统的时间演化。MISTIQS的工作流程如图所示。1.一、首先，用户必须定义特定于感兴趣的材料系统的哈密顿量的系数，以及其他模拟参数，例如时间步长，步长和量子后端。然后MISTIQS生成模拟系统时间演化的量子电路然后，这些电路可以在选定的NISQ后端上执行。最后，可以对结果进行后处理，以揭示模拟过程中自旋的演变。值得强调的是，MISTIQS接受用户指定的外部磁场的时间依赖性函数，定义为等式中的h（t）。（1），使研究人员能够更准确地模拟实验的具体条件。 这个全栈功能的细节在图中更详细地显示。凌晨2用户也可以选择只使用MISTIQS例如，如果用户只想输出一个IBM量子设备上兼容的量子电路列表，它们可以选择跳过电路执行和后处理。还可以选择在外部生成的电路上使用特定于域的编译器，以输出IBM或Rigetti平台的编译电路2.1. 软件构架从https：//github下载软件后，com/USCCACS/MISTIQS，将显示以下目录：src/：包含MISTIQS源代码的目录。docs/：包含MISTIQS用户手册的目录。examples/：包含MISTIQS一些不同用例的示范性示例的目录。运行软件的任何部分时，将创建以下子目录：data/：包含仿真结果、图形（如果适用）和执行软件生成的日志文件的目录。MISTIQS由三个核心模块组成，下面介绍了有关其关键成员功能的其他信息：quantum_circuits：定义MISTIQS原生的量子逻辑门和量子电路对象的代码，允许它在任何一个量子计算平台的语法之上运行。门：将量子门名称、旋转角度（如果适用）以及它作用于其上的量子位集作为输入，以创建中间量子门表示。程序：从一系列的Gate对象中构建一个中间量子电路表示H（ t）=−N−1i=1[Jxσxσx+Jyσiσy1+JzσzσzNKii=1海森堡：使用用户定义的哈密顿量和模拟作为输入来生成、编译和执行量子电路的 代码。·······∑·放大图片创作者：Thomas M.Linker等人软件X 14（2021）1006963图1.一、 在数字量子计算机和量子模拟器上模拟海森堡自旋哈密顿算符的过程概述。generate_circuits：从输入文件中，该方法使用用户指定的Hamilton参数，以及关于后端和编译的用户选择。首先，它生成模拟系统时间演化所需的中间量子电路，然后将这些电路编译为用户指定的量子计算后端的本地门集和语法。connect_ibm：对于IBM用例，此方法连接到IBMQ后端（量子电路编译和执行所需）。根据需要获取IBMQAPI密钥和帐户覆盖布尔值。run_circuits：从输入文件中，该方法使用后端和量子设备选择，以及关于结果后处理的用户选择。其功能是在用户指定的量子设备上执行量子电路，并根据用户的规格对结果进行后处理ds_compiler：用于Tclock的cir-clock的域特定编译的代码（其是等式1中的一般哈密尔顿算子的特殊情况）。（1））到IBM和Rigetti使用的本地门集合中。ds_compile_ibm：特定于域的量子编译器，用于模拟TdR的时间演化的电路。接受一个高级量子电路，并返回一个在IBM量子计算机上可执行的编译后的量子电路ds_compile_rigetti：用于模拟TdR的时间演化的电路的特定域量子编译器接受一个高级量子电路，并返回一个在Rigetti量子计算机上可执行的编译后的量子电路。这些模块所描述的角色和关键成员功能如图所示。2b.在此图中，还突出显示了信息入口和出口路径，并且可选的仅编译器用例包含在标称工作流的上下文中这种多输出架构使MISTIQS能够为各种面向教育和面向研究的应用程序提供服务;利用完整的功能堆栈，在感兴趣的哈密顿量下的可观察的演变，而输出所生成的仿真电路的能力允许对于研究人员来说，利用他们自己的编译器或将cir-10转换为适合于替代量子硬件后端的语法2.2. 先决条件MISTIQS代码库是为了尽量减少所需的外部库的数量而编写的;它只需要安装numpy如果用户想要生成模拟结果的图，那么还必须安装matplotlib否则，任何额外需要的库都只依赖于用户想要为其生成量子电路的量子计算平台;qiskit [16]需要为IBM设备生成电路，pyquil [17，18]需要用于Rigetti用例，cirq [11]同样需要用于Google用例。2.3. 广义工作流要使用MISTIQS，用户必须首先在一个简单的基于文本的输入文件中定义任何需要从默认值更改的参数附录中描述了可自定义的参数。然后创建一个海森堡对象，它存储所有输入的系统参数。请注意，虽然对象的属性最初是从输入文件中设置的，但它们可以在稍后的代码中随时更改。接下来，软件将输入的哈密顿量和模拟参数转换为一系列量子程序（量子电路的中间表示），这些程序将通过Trotter近似模拟感兴趣系统的动力学。这种中间电路表示（MISTIQS原生）有助于将量子电路转换为各种量子计算平台的等效原生电路。这是至关重要的，因为量子计算平台不仅在电路对象语法方面，而且在其硬件上允许的本机量子门设置方面都可能存在很大如果需要，MISTIQS然后使用指定量子计算平台的······放大图片创作者：Thomas M.Linker等人软件X 14（2021）1006964图二、（a）MI S T I Q S 工 作 流 程 的 全栈表示。（b）MISTIQS模块的关键作用和成员职能图3.第三章。（ a）畴壁示例自旋链随时间的平均磁化。（b）MISTIQS输出的第二自旋随时间的平均磁化强度(c)MISTIQS在无噪声量子模拟器和IBM量子计算机上执行的TdR链自旋的平均磁化演化示例。(d)在使用IBM本机编译器和集成到MISTIQS中的特定于域的编译器编译时，比较示例TPENS电路中的量子门计数或者内置的特定于域的量子编译器。如果需要执行量子模拟，MISTIQS将在指定的量子设备上运行循环。一旦成功运行，软件可以对结果进行后处理，并将模拟持续时间内每个量子位的平均磁化数据保存在单独的输出文件中它还可以生成和保存这些数据的图。在每次使用过程中都会保存一个日志文件，并且这将与所有生成的量子位数据和图一起保存在数据文件夹中。对于N次自旋，量子动力学模拟的内存大小在量子计算机上为O（N），在经典计算机上的量子计算机模拟器上为O（2N）[19]，而运行时间对于模拟的时间跨度T有一个额外的因子O（T）。对于特殊情况，可以利用数学结构将O（T）因子降低到O（1）[20，21]，而不同的算法在经典算法计算机[1]。2.4. 软件功能MISTIQS可以对含时海森堡模型的任何变体进行量子动力学模拟，包括重要的XX链模型，XXZ链模型和Tynth [22]。与时间相关的外部磁场，默认设置为可调频率的正弦函数，也可以由用户自定义，从而允许该软件模拟的脉冲形状具有更大的该软件的另一个关键功能是量子电路编译，因为其内置的特定于域的编译器针对IBM和Rigetti后端上的Tencent模拟进行了优化放大图片创作者：Thomas M.Linker等人软件X 14（2021）1006965====3. 说明性实例3.1. XX链模型畴壁淬火模拟在这个例子中，我们使用一个16量子比特的无噪声量子模拟器来探索形成畴壁的6自旋XX链的动力学。我们感兴趣的是测量和绘制每个自旋随时间的平均磁化强度。XX自旋链是Eq. （1）其中xJY0和J zh（t）0,其中Jx由被模拟的材料设定。虽然它是海森堡模型中最简单的子集之一，但它已经显示出与纠缠隐形传态和低能量子色动力学（QCD）的相关性[23，24]。对于这个例子，我们通过设置initial_spins参数来配置自旋链的初始自旋，以便一半的自旋以自旋向下配置开始，以形成一个dom- main wall。为了运行模拟，我们首先使用相关的输入文件初始化Heisenberg对象，然后使用generate_circuits（）方法生成电路，然后使用run_simulation（）方法运行模拟。图3a示出了在50fs模拟过程中，该畴壁示例中每个自旋的自旋状态，第二自旋的演化以绿色突出显示，并且由MISTIQS产生的第二自旋的演化的相应曲线如图所示。3B.这些结果与图1所示的结果一致。 2参考[22 ]第20段。3.2. MoSe_2中突现磁性的量子伊辛模型模拟在这个例子中，我们将通过在IBM的5-qubit“Ourense”量子计算机上进行5-qubit量子模拟，探索我们用TdR建模的Re掺杂MoSe 2单层的涌现磁性。自旋链由Eq. （1）其中xJY0，J z0，kX.身体上这描述了在存在与x方向对准的外部磁场的情况下仅在z方向上具有自旋间耦合的系统。要使用MISTIQS运行此类系统的量子模拟，请将Jz参数设置为与感兴趣的系统匹配的值，将ext_dir参数设置为然后，相应地设置num_qubits参数，并且设置initial_spins参数以反映标准上旋配置。还设置了其他通用模 拟 在 examples 目 录 中 可 以 找 到 完 整 的 示 例 输 入 文 件TFIM_input_file. txt要运行模拟，需要使用相关的输入文件创建一个Heisenberg对象，然后通过运行connect_IBM（）方法将用户连接到IBM Q后端。接下来，通过运行generate_circuits（）方法生成量子电路，并通过运行run_circuits（）方法执行模拟和后处理由此产生的平均磁化强度图应类似于图1。 3 c，尽管由于器件噪声将不可避免地产生差 异 。3.3. 量子伊辛问题在这个例子中，我们将使用内置在MISTIQS中的特定领域（DS）编译器来优化Tdem模拟的量子电路用户只需要导入ds_compiler模块，并在电路上调用ds_compile方法，提供所需的后端作为参数进行编译。如果运行上面描述的示例电路，这个后端参数将是“ibm”。优化的回路将作为新列表返回。输入电路可以通过用Tencent示例输入文件初始化海森堡对象来生成（参见3.2节），并使用Heisenberg对象的return_circuits（）方法的输出。或者，用户可以输入外部创建的电路。examples目录包含一个直接实现这些步骤的示例用例，然后通过IBM的本机编译器运行相同的电路，以直接比较两个编译器的性能。这将产生一个比较量子门计数之间的相同电路编译的特定领域的编译器内置到MISTIQS和本地IBM编译器类似图。 3 d.4. 影响MISTIQS的三个主要影响是：（1）提供一个开源平台，在开放给公众使用的主要量子计算平台上实现可访问的端到端量子动力学模拟通过将量子电路形成、编译、执行和基本后处理包装到用户友好的软件包中来进行ICS模拟研究;以及（3）促进量子计算教育，其中所附的示例和教程可以用作教室和研讨会设置中的独立课程模块。MISTIQS旨在弥合量子计算与化学、材料科学和凝聚态物理学等领域之间的差距，使更多的研究人员能够在NISQ时代的设备上进行量子动力学模拟。我们希望这个高级编程库能够在探索当前量子器件在广泛应用中的能力方面带来新的加速。该软件的测试版已经成功地用于在TMF下对磁性材料进行量子模拟，探索涌现的磁性现象[13]。5. 结论总之，MISTIQS是一个端到端的软件解决方案，用于在当前量子计算机上对由时间相关海森堡模型哈密顿量的任何子集控制的通过简化和简化从材料的哈密顿量到后处理的量子计算机数据的工作流程MISTIQS已经证明了它在量子材料模拟中的实用性，并有望在量子化学、材料科学和凝聚态物理等广泛应用中加速量子模拟研究。竞合利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作确认这项工作是由美国能源部科学办公室基础能源科学资助的计算材料科学计划的一部分，奖励编号为DE-SC 0014607。放大图片创作者：Thomas M.Linker等人软件X 14（2021）1006966附录可定制参数列表及说明参数名称说明Jx控制X方向上的自旋间耦合控制Y方向上的自旋间耦合Jz控制Z方向上的自旋间耦合h_ext控制哈密顿量的外部磁场项的幅度ext_dir设置外部磁场的方向引用[1] AruteF，et al.Nature 2019;574：505.[2] 费曼《国际理论物理学杂志》1982;21：467. [3]第三章Science 1996;273：1073.[4]aspuru-Guzik一、杜托伊AD，爱PJ海德戈登M.Science2005;309：1704.[5]Kandala A，Mezzacapo A，Temme K，Takita M，Brink M，Chow JM，Gambetta JM. Nature 2017;549：242.[6]2005年 1 0 月 2 7 日 ， 李 文 龙 ， 李 文 龙 . 物理修订版X 2018;8：011021。[7]Hempel C，Maier C，Romero J，McClean J，Monz T，Shen H，Jurcevic P，num_qubits领域指定量子模拟的量子位数Lanyon B，Love P，Babbush R. 2018年，arXiv：1803.10238。[8]O’malleyinitial_spins设置每个量子位delta_t设置量子模拟的时间步长steps指定量程模拟QCQS指定电路是否将在KellyJ，Roushan P，Tranter A，Ding N. Phys Rev X 2016;6：031007。[9]杜军，徐宁，彭旭，王萍，吴S，陆东。 Phys Rev Lett2010;104：030502。[10] Preskill J. Quantum2018;2：79.[11] Cirq开发者，cirq，zenodo。2021年，http://dx.doi.org/10.5281/zenodo。4062499散粒噪声选择量子计算机或量子模拟器设置要在量子设备如果使用量子模拟器，则设置是否需要噪声模拟器。[12]McClean J等人，OpenFermion：量子计算机的电子结构包。2017年，arXiv：1710.07629。[13]Bassman等L. Phys Rev B2020;101：184305。[14]Bassman L，et al. Quantum Sci Technol2020;6：014007.device_choice指定要为其生成回路和/或在其上运行回路plot_flag设置是否应打印和保存运行量程模拟的后处理结果。time_dep_flag指定是否需要[15]Brown K，Monro W，Kendon V. Entropy 2020;12：2268.[16]Abraham H ， Akhalwaya IY ， Aleksandrowicz G ， Alexander T ，AlexandrovicsG ， Arbel E ， et al. Qiskit ： An open-source framework forquantumcomputing. 2019年。[17]Smith RS，Curtis MJ，Zeng WJ. 一个实用的量子指令集架构 2016年，arXiv：1608.03355。freq在哈密顿外场项中指定哈密顿外场项[18]Karalekas PJ，et al. Quantum Sci Technol2020;5：024003.[19]DeRaedt H，et al.2019年12月27日，《物理[20]作者：J. M.物理学修订版A 2004;69：010301。custom_time_dep设置软件是否应该查找哈密顿外场项后端设置量子计算平台的选择（IBM，Rigetti，Google）compile设置软件是否应编译生成的量子电路auto_smart_compile设置集成的特定于域的编译器应自动应用于检测到的Tendash电路（仅限IBM和Rigetti后端）default_compiler设置软件是否默认为选择的后端本地编译器或集成的特定于域的编译器（仅限IBM和Rigetti后端）[21]ShendeVV，Markov Igor L，Bullock Stephen S. 物理学修订版A 2004;69：062321。[22]Smith A，Kim MS，Pollmann F，et al. npj Quantum Inf 2019;5：106.[23]第二十三话物理学修订版A 2002;66：062312。[24日]放大图片作者：Perez-Garcia D，Tierz M. 物理学修订版X 2014;4：021050。