如何从qiskit中的np.array创建统一网关？

Question

Hi all: Cirq提供了一种从数组创建单一门的方法。我试着在Qiskit中做同样的事情，但没有完全做到。这是一个示例代码，其中包含我到目前为止可以组合在一起的内容。另外，有没有一种方法可以应用从Q到q1的么正运算呢？或者创建一个特定的标记门，以便在电路中使用？如果是这样的话，是怎么做的？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

如果你只想要一个来自数组的正规单位门，我相信你的qc.unitary(U2x2, range(1))实现是正确的。实例化UnitaryGate似乎已经在qc.unitary()调用中完成了，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很好地工作。类似这样的东西应该会起作用：

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]])

如果您需要更多信息，Here也是add_control()的源代码。

Answer 2

事实证明以下方法是有效的，但gate是以一种违反直觉的方式应用的。这可能是Qiskit中位排序的结果，这似乎导致了一个非常非标准的实现，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，您就可以看到这应该具有以下输出：|00> -> |01>，|01> -> |00>，|10> -> |11>和|11> -> |10>，其中第一位，即|ab>中的a表示q[0]上测量的值。换句话说，如果输入是q[0]=|1>和q[1]=|0>，那么标准基数中的输入状态应该是(列向量) (0;0;1;0)，所以输出将是(0;0;0;1)。但是通过在Aer上模拟它来尝试一下，你会发现事实并非如此。使用如图所示的qc.x(q[0])，输出为(0;0;0;0)。要获得预期的输出，您需要改为在[q[1], q[0]]上使用append。虽然这肯定可以由有意识的人来处理，但我认为这是完全令人困惑的。

这是这个门的受控版本。同样，请注意append指令中为了让第一个量子位q[0]充当控制而需要的量子位的逆序(非常不直观)。

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()

通过运行这段代码(以及打开和关闭x(q[0])等)，用户可以很容易地确认发生了什么。使用

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。但事实并非如此，它是q[0]。为了进一步参考，下面是我正在运行的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'}