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DAG — 有向无环图工具

概览

  • 模块：fieldqkit.compile.dag（约220 行）
  • 作用：提供量子线路与有向无环图（DAG）、无向交互图之间的互转工具，供编译 Pass 内部使用。
  • 依赖：networkx、convert_gate_info_to_dag_info（来自 quantumcircuit_helpers）

核心函数

qc2dag(qc, show_qubits=True) -> nx.DiGraph

签名：

def qc2dag(qc: QuantumCircuit, show_qubits: bool = True) -> nx.DiGraph

参数：

参数 类型 默认值 说明
qc QuantumCircuit — 输入量子线路
show_qubits bool True 是否在节点名中包含比特信息

返回值： nx.DiGraph

DAG 结构： - 节点名格式："{gate}_{idx}_{[qubits]}" （如 "cx_3_[0, 1]"） - 节点属性： - qubits: list[int] — 门作用的比特列表 - params: list — 参数化门的参数列表（仅参数化门有此属性） - cbits: list[int] — 经典比特（仅 measure 门有此属性） - duration: float — 持续时间（仅 delay 门有此属性） - 边属性： - qubit: list[int] — 该边对应的物理比特 - 图属性： - graph["qubits"] — 保存 qc.qubits 比特列表

实现： 调用 convert_gate_info_to_dag_info 生成节点列表和边列表，构建 nx.DiGraph。

dag2qc(dag, nqubits=None, ncbits=None) -> QuantumCircuit

签名：

def dag2qc(dag: nx.DiGraph, nqubits: int | None = None, ncbits: int | None = None) -> QuantumCircuit

参数：

参数 类型 默认值 说明
dag nx.DiGraph — 输入 DAG
nqubits int \| None None 比特数。None 时自动取 max(qubit) + 1
ncbits int \| None None 经典比特数。None 时由 measure 门用到的最大经典位推断（max(cbit)+1）；无测量门时退回 nqubits

返回值： QuantumCircuit（qubits 属性从 dag.graph["qubits"] 继承）。

算法： 使用 nx.topological_sort(dag) 遍历节点，每个节点根据门名从节点属性还原为门信息元组。

支持的门类型还原：

门类型 还原方式
固定单比特门 (gate, qubit)
参数化单比特门 (gate, *params, qubit)
固定两比特门 (gate, qubit1, qubit2)
参数化两比特门 (gate, *params, qubit1, qubit2)
三比特门 (gate, qubit1, qubit2, qubit3)
measure (gate, qubits, cbits)
barrier (gate, tuple(qubits))
delay (gate, duration, tuple(qubits))
reset (gate, qubit)

qc2graph(qc) -> nx.Graph

签名：

def qc2graph(qc: QuantumCircuit) -> nx.Graph

将线路转为无向交互图： - 节点 = qc.qubits 中的每个比特 - 边 = 存在两比特（或三比特）门交互的比特对 - 通过 get_qcgraph_edges 提取边列表

用途： 用于 split_qubits() 查找连通分量，以及 Layout 的交互图分析。

split_qubits(qc) -> list[list[int]]

签名：

def split_qubits(qc: QuantumCircuit) -> list[list[int]]

基于 qc2graph 找连通分量，返回比特分组列表。每个分组是一个比特列表。

用途： 被 SabreRouting.run() 调用，将不互相交互的比特组独立处理。

辅助函数

get_qcgraph_edges(gates) -> list[tuple]

签名：

def get_qcgraph_edges(gates: list) -> list[tuple]

从门信息列表中提取所有两比特门的比特对。

门类型处理：

门类型 行为
固定/参数化单比特门 跳过
固定两比特门 取 gate_info[1:] 作为边
参数化两比特门 取 gate_info[2:]（跳过参数）作为边
三比特门 拆分为两条边：gate_info[1:3] 和 gate_info[2:4]
功能性指令 跳过
未知门 ValueError

可视化函数

draw_dag(dag, output="dag_figure.png")

依赖： pygraphviz（nx.nx_agraph）、matplotlib。

功能： - 使用 Graphviz dot 布局引擎渲染 DAG - 节点标签显示门名（measure 门额外显示经典比特 c{bit}） - 边标签显示比特名（q0, q1 等） - 输出 300 DPI 图片并通过 plt.show() 显示 - 图片同时保存到 output 指定的文件

draw_graph(G)

依赖： matplotlib。

功能： - 使用 nx.shell_layout 布局 - 天蓝色圆形节点，灰色边，粗体标签 - 图片大小 7×6 英寸

示例

from fieldqkit.compile.dag import qc2dag, dag2qc, qc2graph, split_qubits
from fieldqkit.circuit import QuantumCircuit

# 线路 → DAG → 线路
qc = QuantumCircuit(3)
qc.h(0)
qc.cx(0, 1)
qc.cx(1, 2)

dag = qc2dag(qc)
print(f"DAG 节点数: {dag.number_of_nodes()}")
print(f"DAG 边数: {dag.number_of_edges()}")

# DAG 还原
qc_restored = dag2qc(dag, nqubits=3)
assert len(qc_restored.gates) == len(qc.gates)

# 交互图与连通分量
qc2 = QuantumCircuit(4)
qc2.cx(0, 1)
qc2.cx(2, 3)  # 两组独立的比特
graph = qc2graph(qc2)
groups = split_qubits(qc2)
print(f"连通分量: {groups}")  # [[0, 1], [2, 3]]

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