噪声模拟器

MindQuantum 中包含各种噪声信道，利用噪声信道我们可以对真实的量子芯片进行模拟。在 MindQuantum 中，我们定义了各种 ChannelAdder，可以有选择性的在量子线路的不同位置添加噪声信道，依次完成含噪声的量子模拟。下面介绍如何利用 MindQuantum 完成此任务。

ChannelAdder 是一个能够在量子线路特定位置添加特定信道的处理器，例如在测量门后添加比特翻转信道。ChannelAdder 类主要由三个函数构成，_accepter()、_excluder() 和 _handler(BasicGate)，其功能对应如下：

_accepter()：返回一个由函数构成的列表，称为接受规则集，其中每个接受规则函数的输入都是一个量子门，当函数返回值为 True 时表示我们可以在该量子门后添加信道。

_excluder()：返回一个由函数构成的列表，称为拒绝规则集，其中每个拒绝规则函数的输入都是一个量子门，当函数返回值为 True 时表示我们拒绝在该量子门后添加信道。

_handler(BasicGate)：输入一个量子门，返回一段量子线路，表示在输入量子门后添加一段自定义的信道。

我们重定义类 ChannelAdder 的 __call__ 函数，直接调用 ChannelAdder 即可生成处理后的量子线路。 下面介绍几种 ChannelAdder。

BitFlipAdder 的接口定义为：

该 Adder 会在量子门后添加一个比特翻转信道，接口的参数含义为：

flip_rate (float)：比特翻转信道的翻转概率。

with_ctrl (bool)：是否在控制位上添加比特。默认值： True。

focus_on (bool)：只将该噪声信道作用在 focus_on 比特上。如果为 None，则作用在量子门的所有比特上。默认值： None。

add_after (bool)：是否在量子门后面添加信道。如果为 False，信道将会加在量子门前面。默认值： True。

例如，我们可以通过如下接口，在给定量子线路的每个量子门后都添加一个翻转概率为 0.3 的比特翻转信道：

该 Adder 会选择对应的测量门，它目前只是一个 Accepter，不会改变量子线路中的任何门，需要利用 MixerAdder，跟其他的 Adder 搭配使用。

MixerAdder 可以将多个 Adder 混合起来，保证量子门在每一个 Adder 中的接受函数集和拒绝函数集同时满足时，顺序添加 _handler 产生的量子线路。

举例来说，我们可以将上文提到的 BitFlipAdder 和 MeasureAccepter 混合起来，达到只在测量门前添加比特翻转信道的功能：

SequentialAdder 是由多个 Adder 顺序构成类，量子线路会经过 SequentialAdder 中的 Adder 依次处理，生成最终的量子线路。例如，我们想构建一个先在测量门前添加一个 \(p=0.01\) 的比特翻转信道，然后在 q1 比特上的非测量门和非噪声信道后添加 \(p=0.05\) 的去极化信道。

我们首先自定义在某个比特添加比特翻转信道的 Adder。

上述自定义量子信道也可以通过 MindQuantum 中的预定义信道搭建而成。

下面我们来搭建一个更复杂的 ChannelAdder 例子，在该例子中，芯片的不同比特上的单比特门操作的噪声可以忽略不记，而双比特门在不同比特上具有不同的去极化信道，且线路的测量具有一个翻转概率为0.01的比特翻转错误。

我们假设不同比特上的去极化信道为：

然后，我们定义出满足要求的 Adder：

假设我们想要处理的量子线路是哈密顿量 \(H=a_{01} Z_0Z_1 + a_{12} Z_1Z_2 + b_0 X_0 + b_1 X_1 + b_2 X_2\) 含时演化的一阶Trotter近似线路：

此线路经过上述定义的 noise_adder 处理后的量子线路为：

下面列举出 MindQuantum 中现有的一些 ChannelAdder，并给出具体含义：

ChannelAdder

功能

ChannelAdderBase

在量子门前面或者后面添加信道

NoiseChannelAdder

添加一个单比特量子信道

MeasureAccepter

选取测量门

ReverseAdder

翻转给定信道添加器的接受和拒绝规则

NoiseExcluder

排除噪声门

BitFlipAdder

在量子门前面或者后面添加一个比特翻转信道

MixerAdder

在子添加器的接受集被满足、拒绝集被拒绝时依次执行所有的添加器

SequentialAdder

依次执行每一个添加器

QubitNumberConstrain

只将噪声信道作用在比特数为 n_qubits 的量子门上

QubitIDConstrain

只将噪声信道作用在给定比特序号的量子门上

GateSelector

选择想要的量子门添加信道

DepolarizingChannelAdder

添加去极化信道

MindQuantum 中 ChannelAdder 的API接口文档请参考：channel_adder

我们可以将如上定义的各种 Adder 与现有的模拟器组合，构成一个含噪声模拟器。