mps simulator¶
模块¶
- fieldqkit.sim.mps
概览¶
该模块提供 Torch 实现的 MPS 后端，并与 statevector 后端保持同构接口：
- 线路前向演化：simulate_mps(...)
- 采样计数：simulate_counts(...)
- Pauli 期望：expectation_pauli(...)
- VQE 能量计算：energy_and_expectations(...)
- 样本概率计算：sample_probabilities(...)——用于无监督 QNN 的 NLL 损失
同时该模块也包含一组内部张量网络工具函数，用于：
- 通过门的 MPO 分解施加多比特门
- 维护/移动 canonical center
- 在指定脏区间执行按需压缩
张量形状约定¶
- 单站点 MPS 张量：A[l, p, r]
- 维度含义：
- l: 左虚拟键
- p: 物理维（2）
- r: 右虚拟键
关键函数¶
simulate_mps(qc, *, param_values=None, max_bond_dim=MAX_BOND_DIM, device=None) -> List[torch.Tensor]¶
- 从 |0...0> 初态构造 MPS 并按门序演化。
- 支持：
- 固定门：one_qubit/two_qubit/three_qubit
- 参数门：one_qubit_param/two_qubit_param
- 功能门：barrier/measure/delay 在该层跳过（不改变态）
- 不支持
reset：遇到reset抛出NotImplementedError（纯态后端无法正确表示纠缠比特的 reset）。含reset的电路仍可构造并提交到真机。 - max_bond_dim:
- None: 不做显式截断
- int: 在脏区间触发 sweep 压缩时截断键维
simulate_counts(qc, shots, *, seed=None, param_values=None, max_bond_dim=MAX_BOND_DIM, device=None) -> Dict[str, int]¶
- 基于 MPS 逐位条件采样。
- 输出 bitstring 采用大端序（qubit 0 对应字符串最左位，与 statevector 后端一致）。
- max_bond_dim: 传递给 simulate_mps，默认 MAX_BOND_DIM（256）。
expectation_pauli(state, pauli, *, num_qubits)¶
- 输入 state 必须是非空 MPS 张量列表。
- 计算
sample_probabilities(mps, samples) -> torch.Tensor¶
- 输入 MPS 态和样本数组
samples（(N, n_qubits)整数，元素 0/1，big-endian）。 - 通过批量 MPS 振幅收缩计算每个样本的概率 $|\langle b|\psi\rangle|^2$。
- 返回 1-D 张量，支持自动微分。
energy_and_expectations(symbolic_qc, *, params, param_names, hamiltonian, max_bond_dim=MAX_BOND_DIM, device=None)¶
- 将 params + param_names 映射到 param_values。
- 调用 simulate_mps(...) 得到态后，逐项收缩哈密顿量。
- max_bond_dim: 传递给 simulate_mps，默认 MAX_BOND_DIM（256）。
- 返回：
- energy: 可微分 Torch 标量
- expectations: Dict[str, float]
设备与 dtype¶
- 默认 dtype: torch.complex128（态张量）
- 自动设备选择（
auto_sim_device）： - 如果显式传入 device，优先使用
- 否则按 利用率最低的 CUDA > CPU 顺序探测
与接口层关系¶
- 当 qubit 数超过 interface.MPS_THRESHOLD_QUBITS（当前为 16）时， interface 层会把 counts/expectation/energy 路由到本模块。
模块级常量¶
| 常量 | 默认值 | 说明 |
|---|---|---|
MAX_BOND_DIM |
256 |
默认最大键维；可通过 set_sim_config(max_bond_dim=...) 修改 |
SVD_EPS |
1e-12 |
SVD 截断精度阈值；低于此值的奇异值被丢弃 |
常见限制与报错¶
- unsupported gate for simulator
- gate qubits must be distinct
- params must be a torch.Tensor（energy_and_expectations）
相关页面¶
- statevector simulator（statevector.md）
- simulator interface（interface.md）
- mpo process simulator（mpo.md）
- density matrix simulator（density_matrix.md）