近二十年来,量子信息与计算已经成为各个国家最热门的研究课题。与传统电路表示不同,量子计算定义了新的量子电路图。为了方便在论文和报告中绘制量子电路图,美国新墨西哥大学的Bryan Eastin和Steve Flammia共同开发了一款宏包:Qcircuit。

安装

Qcircuit宏包是基于xy-pic and ifpdf 宏包设计的。最简单安装Qcircuit宏包的方法是把qcircuit.sty文件放置到需要编译文件的目录下,并在文中通过\usepackage[options]{qcircuit} 加载。这里options有两种:braketqm。分别代表宏包中自定义的一些关于量子力学的符号。具体可参考qcircuit.sty文件。如果不习惯这些自定义,忽略options即可。如果想一劳永逸永久加载Qcircuit宏包,可参考 Wikipedia page

基本语言

组成结构

Qcircuit中,最简单的量子电路图分为三个部分:
  • \Qcircuit:代表开始画量子电路图;

  • @C=1em @R=1em:定义电路图大小,C和R分别代表列和行的宽度;

  • 以及代表电路图内部结构的主体部分。

量子线与单量子比特门

电路图内量子线用\qw表示,单量子门用\gate{}表示,其中{}内填写单量子门的标识。每个单元用&隔开。代码
\Qcircuit @C=1em @R=.7em {

& \gate{X} & \qw

}
代表的电路图如下所示:注意:
  • \gate{}前一定要有&符号;

  • \gate{}中{}已经是数学环境,不需要$$

两量子比特门中, 门最为常用。因为 门是两量子比特门,于是最少需要两行量子线。每行量子电路用//表示。\ctrl{#1}代表门的控制量子比特的位置,其中#1代表目标量子比特的位置。例如填写1,则代表目标量子比特的位置在控制量子比特位置的下方一行;填写-1,则代表目标量子比特的位置在控制量子比特位置的上方一行。在控制量子比特的位置还需加上\targ。让门来看例子:
\Qcircuit @C=1em @R=.7em {

& \ctrl{1} & \targ & \qw \\

& \targ & \ctrl{-1} & \qw}
以上代码代表了两个方向不同的CNOT门:

多量子比特门

多量子比特门用\multigate{#1}{#2}表示,其中#1代表了多量子比特门作用的个数减1。例如3量子比特门#1填写2。#2填写多量子比特门的标识。在\multigate{#1}{#2}下面位置对应的量子线中还需要代码\ghost{#2}#1填写数字几,\multigate{#1}{#2}正下方就需要几个\ghost{#2}。注意\multigate{#1}{#2}中参量#2要与\ghost{#2}中的一致。
\Qcircuit @C=1em @R=.7em {& \multigate{2}{U^\dag} & \qw \\& \ghost{U^\dag}& \qw \\& \ghost{U^\dag} & \qw}
代表了3量子比特门:

量子测量与经典比特

Qcircuit中还内置了多种量子测量图示: 对于测量产生的经典比特信息,用代码\cw[#1]\cwx[#1]分别表示横向和纵向的经典比特。参量#1代表信息传递长度单位。例如:
\Qcircuit @C=1em @R=.7em {

& \qw & \meter \cwx[1] \cw[1]& \\

& \qw & \gate{X} & \qw

}
代表了量子电路图:强调区块的方法 有时需要强调某区块的量子电路图,需要用线条圈注。Qcircuit中有很简单的方法:\gategroup{#1}{#2}{#3}{#4}{#5}{#6}。其中#1#3分别代表了圈注的起始行数和结束行数;#2#4分别代表了圈注的起始列数和结束列数;#5调节间距;#6选择标注符号,例如:--._\}等等。
\Qcircuit @C=1em @R=1em {

& \ctrl{2} & \qw & \gate{H} & \ctrl{1} & \gate{H} & \qw \\\

& \qw & \ctrl{1} & \gate{H} & \targ & \gate{H} & \qw \\\

& \targ & \targ & \gate{Z} & \qw & \ctrl{-1} & \qw \gategroup{1}{4}{2}{6}{.7em}{--}

}

Qcircuit中还内置了很多更高级的用法,具体可参考官方的教程说明文件。对于熟悉xy-pic宏包的LaTexer,可以通过修改qcircuit.sty文件来实现更多种类量子电路图的实现。Happy LaTexing ! ~

下载区

宏包下载:Qcircuit

官方教程下载:Qtutorial

选自:http://physics.unm.edu/CQuIC/Qcircuit/ https://github.com/CQuIC/qcircuit/

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