GateCompressor — 门压缩优化¶

概览¶

模块：fieldqkit.compile.optimize（约820 行）
作用：通过合并、对消和重排门来减少线路中的门数量，降低噪声影响。
继承：TranspilerPass（实现 run() 方法）
依赖：qc2dag / dag2qc（DAG 构建）、u3_decompose（合并后分解）、gate_matrix_dict（矩阵查表）

模块级常量¶

常量	类型	值	说明
`_DIAGONAL_1Q_GATES`	`frozenset`	`{id, z, s, sdg, t, tdg, rz}`	计算基对角单比特门（互相对易）
`_NON_REORDERABLE`	`frozenset`	`{barrier, measure, reset, delay}`	功能性指令，不可重排

类签名¶

class GateCompressor(TranspilerPass):
    def __init__(self, convert_single_qubit_gate_to_u: bool = True)

参数	类型	默认值	说明
`convert_single_qubit_gate_to_u`	`bool`	`True`	合并后的单比特门是否输出为 `u` 门；为 `False` 时分解为 `rz`/`ry` 序列

属性	类型	说明
`compressible_gates`	`list[str]`	14 个可压缩门名列表（`x`, `y`, `z`, `h`, `cx`, `cy`, `cz`, `swap`, `ecr`, `ccx`, `ccz`, `rxx`, `ryy`, `rzz`）。单比特参数门（`rx`/`ry`/`rz`/`u`）和非自逆 1Q 门（`s`/`sdg`/`t`/`tdg`/`sx`/`sxdg`）刻意排除，由 `merge_single_qubit_runs` 的矩阵累乘处理
`_idx`	`int`	DAG 压缩时新节点的自增 ID，起始值 `1000000`
`_single_qubit_gates`	`set[str]`	所有单比特门名的合集（固定 + 参数化）
`dag`	`nx.DiGraph`	运行时 DAG 实例（在 `run()` 中赋值）

类变量：

_SELF_INVERSE_2Q = frozenset({'cx', 'cy', 'cz', 'swap', 'ecr'})

自逆两比特门集合：$G \cdot G = I$。

`run(...)` 方法¶

签名：

def run(self, qc: QuantumCircuit) -> QuantumCircuit

执行完整优化流水线，按以下顺序：

输入 qc
  │
  ▼
① remove_identity_gates ─── 移除 I 门
  │
  ▼
② commutation_reorder ───── 冒泡重排
  │
  ▼
③ merge_single_qubit_runs ─ 合并单比特连续门
  │
  ▼
④ cancel_two_qubit_pairs ── 自逆 2Q 门对消
  │
  ▼
⑤ DAG 压缩循环 ──────────── 相邻同类门合并
  │
  ▼
输出 new_qc

返回值： 优化后的 QuantumCircuit（deepcopy，qubits 属性继承自输入）。

优化 Pass 详解¶

`remove_identity_gates(qc) -> QuantumCircuit`¶

逐门检查所有参数化门（单比特和两比特）的矩阵是否为单位矩阵 $I$。若 np.allclose(mat, I) 为 True，则丢弃该门。非参数化门和功能性指令保留不变。

`commutation_reorder(qc) -> QuantumCircuit`¶

目标： 将单比特门向前（左）冒泡移动，使同比特单比特门聚集，为后续 merge_single_qubit_runs 创造更多合并机会。

冒泡规则： - 从左到右扫描每个单比特门 - 向前移动，跳过与其对易的门 - 遇到以下情况时停止： 1. 同比特的另一个单比特门（合并目标，停在其后） 2. 不对易的门 3. 功能性指令（barrier / measure / reset / delay）

实现： 冒泡排序风格的原地交换。

`merge_single_qubit_runs(qc) -> QuantumCircuit`¶

将连续作用于同一比特的单比特门序列累乘为一个 $2\times 2$ 矩阵：

$$U_{\text{merged}} = U_n \cdot U_{n-1} \cdots U_2 \cdot U_1$$

然后通过 u3_decompose 转为单个 ("u", θ, φ, λ, qubit) 门。

特殊情况： - 若 $U_{\text{merged}} \approx I$（np.allclose），整段门消除 - 若某个门含符号参数（str 类型），该门单独输出，不参与合并 - 单门不触发合并

`cancel_two_qubit_pairs(qc) -> QuantumCircuit`¶

对消自逆两比特门对。

算法：

repeat:
  对每个自逆 2Q 门 G[i]：
    向后搜索匹配的 G[j]（同门名 + 同比特）
    检查中间所有门 G[k] 是否与 G[i] 对易：
      若不对易 → 停止搜索
      若对易 → 继续
    找到匹配：G[i] 和 G[j] 同时移除，restart
  无更多匹配 → 结束

比特对称性： cz 和 swap 门的比特顺序不敏感（即 CZ(a,b) == CZ(b,a)）。

DAG 压缩循环¶

将线路转换为 DAG，反复寻找并合并相邻同类门，直到无更多可合并的门对。

相邻判定 is_adjacent_gates(node1, node2)： - 同门名（node1.split("_")[0] == node2.split("_")[0]） - 门名在 compressible_gates 列表中 - 同比特（qubits1 == qubits2） - DAG 直接边连接（out_edges(node1) == in_edges(node2)）

合并分派 run_compress_once(node1, node2)：

门类型	合并方法	行为
固定单比特门	`compress_adjacent_single_qubit_gates`	两门对消（自逆），删除两节点
参数单比特门	`compress_adjacent_single_parameter_qubit_gates`	参数相加（或 `u` 门矩阵乘法 + `u3_decompose`）；若结果为 $I$ 则消除
固定两比特门	`compress_adjacent_two_qubit_gates`	自逆对消，删除两节点
参数两比特门	`compress_adjacent_two_qubit_parameter_gates`	参数相加；若结果为 $I$ 则消除
三比特门	`compress_adjacent_three_qubit_gates`	自逆对消（如 CCX·CCX = I）

DAG 更新操作： 删除两个旧节点 → 添加新节点（如有） → 重新连接前驱/后继边。

对易判断¶

`_check_commutation(gate_info1, gate_info2) -> bool`¶

类方法（@classmethod）。优先级递减的快速路径：

功能性指令 → False（永不对易）
不相交比特 → True
两个对角单比特门（均在 _DIAGONAL_1Q_GATES 中）→ True
对角单比特 + CZ → True（CZ 也对角）
CZ + CZ → True
矩阵回退：获取两门的矩阵，扩展到联合比特空间，检查 $[A, B] = AB - BA = 0$
若任一门矩阵不可获取（符号参数）→ False（保守假设）

静态辅助方法¶

方法	签名	说明
`_get_gate_qubits`	`(gate_info) -> list[int]`	返回门信息元组中的比特索引列表（1Q/2Q/3Q 分别取最后 1/2/3 个元素）
`_get_any_gate_matrix`	`(gate_info) -> np.ndarray \\| None`	获取任意类型门的矩阵。含符号参数时返回 `None`
`_expand_matrix`	`(gate_mat, positions, n_total) -> np.ndarray`	将小矩阵扩展到 $2^n \times 2^n$ 联合比特空间
`_gate_matrix`	`(gate_info) -> np.ndarray \\| None`	获取单比特门矩阵（仅 1Q 门）
`_gate_qubit`	`(gate_info) -> int`	返回单比特门的比特索引（`gate_info[-1]`）

`idx` 属性¶

@property
def idx(self) -> int

DAG 压缩时为新节点生成唯一 ID。每次访问自增 1，起始值 1000000，避免与原始节点 ID 冲突。

示例¶

from fieldqkit.compile.optimize import GateCompressor
from fieldqkit.circuit import QuantumCircuit

qc = QuantumCircuit(3)
qc.h(0)
qc.h(0)        # H·H = I → 被消除
qc.cx(0, 1)
qc.cx(0, 1)    # CX·CX = I → 被对消
qc.rz(0.1, 2)
qc.rz(0.2, 2)  # 连续 Rz → 合并为 Rz(0.3)

compressor = GateCompressor()
optimized = compressor.run(qc)
print(f"优化前门数: {len(qc.gates)}")
print(f"优化后门数: {len(optimized.gates)}")

# 单独使用某个优化步骤
qc2 = compressor.commutation_reorder(qc)
qc3 = compressor.merge_single_qubit_runs(qc2)

GateCompressor — 门压缩优化¶

概览¶

模块级常量¶

类签名¶

run(...) 方法¶

优化 Pass 详解¶

remove_identity_gates(qc) -> QuantumCircuit¶

commutation_reorder(qc) -> QuantumCircuit¶

merge_single_qubit_runs(qc) -> QuantumCircuit¶

cancel_two_qubit_pairs(qc) -> QuantumCircuit¶