State city — Yoğunluk matrisinin şehir görünümü

State city, Qiskit’in plot_state_city işleviyle üretilen, yoğunluk matrisinin hesaplamalı bazda (genelde kübit ürün bazı) gerçel ve sanal kısımlarını aynı anda gösteren bir görselleştirmedir. Her indeks çifti (i, j) için bir “bina yüksekliği” benzeri sütun çizilir; böylece durumun tam matris yapısı — en azından seçilen bazda — bir bakışta taranabilir.

Bu sayfa görsel okuma disiplini ve yazılım arayüzü üzerinedir; yoğunluk operatörünün tanımı ve özellikleri yoğunluk matrisi ve durum vektörü rehberleriyle desteklenir; burada türetim zinciri kısaltılır.

Devre çizimi ve transpilasyon görünürlüğü hibrit devre çizimi ve ilgili sayfalarda kalır; state city, yürütme sonrası veya simüle edilmiş durum nesnesine uygulanır.

Ne vaat edilmez

Gerçek donanımdan tek shot ile tam ρ okuma vaat edilmez; bu, tomografi veya başlı başına farklı bir ölçüm programıdır.

Çok yüksek kübit sayılarında etkileşimli inceleme pratik olmayabilir; bellek ve dosya boyutu üst sınırı üretimde zorunludur.

Tipik çıktı iki panel (veya iki alt eksen) içerir: biri Re(ρᵢⱼ), diğeri Im(ρᵢⱼ) için. Renk ve saydamlık ( alpha) ayarları, küçük genlikli terimleri ayırt etmeyi kolaylaştırır; figsize ve filename parametreleri rapor üretiminde standartlaştırılmalıdır.

Eksen etiketleri baz indekslerine karşılık gelir; yanlış kübit sırası veya endian varsayımı, doğru matematiksel ρ ile yanlış yorum arasında fark yaratır.

Sunum ve web için dpi ve bbox_inches seçimleri dosya boyutunu ve okunabilirliği etkiler; CI’da üretilen görsellerin piksel tabanlı diff’i yerine hash doğrulaması tercih edilebilir.

Negatif ve faz bilgisi

Sanal kısım sıfıra yakınsa saf durumlar için belirgin desenler ortaya çıkar; karışık durumlarda her iki panel de dolu kalabilir.

Tek renk kullanımı küçük terimleri gizleyebilir; iki renkli şema ( color listesi) literatürde sık görülür.

Qsphere, genellikle tek kübit veya düşük boyutta durumu küresel geometriyle ilişkilendirir; çok kübitli durumlarda yorum daha seçicidir. Histogram ise ölçüm sonucunun klasik istatistiğidir ve doğrudan ρ’nun tam matrisi değildir. State city, tam matris görünümü sunarak tamamlayıcı bir projeksiyondur.

Aynı devreyi çalıştırıp hem histogram hem state city üretmek mümkündür; fakat histogramdan ρ’yu tek başına yeniden kurmak genelde ek varsayım veya tomografi gerektirir.

LaTeX tabanlı devre veya durum tabloları LaTeX dizimi sayfasında; burada Matplotlib nesnesi ön plandadır.

Hangi görseli ne zaman

Hata ayıklamada “hangi coherences var?” sorusu için state city; “hangi bit dizisi sık?” için histogram; “Bloch vektörü nereye bakıyor?” için qsphere düşünülebilir.

Yayın şekli makale şablonuna bağlıdır; dergi genelde vektör veya yoğunluk için vektör grafik ister.

State city, seçilen hesaplamalı bazda ρ’yu gösterir; çoğu örnekte bu, kübit ürün sırası ( qₙ₋₁ … q₀ gibi) ile kodlanmış indekslemedir. Qiskit sürümü ve görselleştirme seçenekleri etiket düzenini etkileyebilir; karşılaştırmalı testlerde kübit sırası sözleşmesi raporda yazılmalıdır.

Durum vektörü üretimi Statevector simülasyonu ile ilişkilidir; devre hangi sırayla tensör ürünü oluşturuyorsa, şehir eksenleri o sırayı yansıtır.

Ölçüm mantığı ve klasik register eşlemesi ölçüm mantığı konusunda kalır; state city ölçüm çizgisi çizmez.

Baz dönüşümü

Farklı Pauli veya öz-ortak bazda ρ göstermek için önce operatör cebirinde dönüşüm uygulanmalıdır; bu sayfa dönüşüm matematiğini vermez.

Gözlemlenebilir değerlendirme ile birlikte okunduğunda, hangi matris elemanlarının hangi gözlemlenebilir ortalamalarla ilişkilenebileceği daha netleşir.

Saf durum |ψ⟩ için ρ = |ψ⟩⟨ψ| idempotent bir projektördür; diyagonal ve off-diagonal yapı Bell gibi dolanık durumlarda belirgin kalıplar gösterir. Karışık durumlar ( DensityMatrix) ise genellikle daha “dolu” bir şehir manzarası üretir ve kısmi izlerle modellenen alt sistemleri temsil eder.

Gürültülü kanalların etkisi, şehir grafiğinde off-diagonal sönümle veya doluluk değişimiyle görülebilir; nicel karşılaştırma için sadakat ölçütleri yardımcı olabilir.

Aer veya başka bir simülatörden gelen DensityMatrix, aynı API ile çizilebilir; kaynak modelin (örneklem, kanal) meta verisi görsel başlığına yazılmalıdır.

Kısmi iz

Alt sistemin ρ’su, ana sistemin matrisinden türetilir; yanlış iz sırası yanlış şehir profili üretir.

Bu işlem partial_trace benzeri araçlarla yapılır; sürüm ve API yüzeyi belgelerden doğrulanmalıdır.

Tam durum veya yoğunluk görselleştirmesi, pratikte klasik simülatör veya analitik hesap üzerinden yazılım kontrolü sağlar: yürütücüden gelen Statevector veya DensityMatrix nesnesi çizilir. Gerçek QPU çıktısı çoğu senaryoda yalnızca ölçüm istatistiği olarak döner; “donanım bana ρ’yu verdi” varsayımı genelde yanlıştır.

Bu ayrım, mimari güvenlik ve veri sınıflandırması açısından önemlidir: simülatör çıktısı araştırma gizliliği taşıyabilir; bulut üzerinde tam durum çıkarma yetkisi ürün politikasına bağlıdır.

Bellek maliyeti yaklaşık O(4ⁿ) ölçeğindedir; büyük n için etkileşimli state city üretimi yerine seyrek veya düşük ranklı temsiller düşünülmelidir.

Üretim hattı

Otomatik rapor üretiminde font yolları ve Matplotlib arka ucu ( Agg gibi) sabitlenmelidir; aksi halde CI’da görsel regresyonları drift eder.

İlkel iş akışları disiplini, görsel artefaktı da deney kimliği ve kod sürümüyle birlikte saklamayı önerir.

Aşağıdaki örnek, ideal Bell |Φ⁺⟩ hazırlayan devreden Statevector alır ve plot_state_city ile PNG yazar. Sunucu veya başsız ortam için matplotlib arka ucunu Agg olarak sabitler.

Matplotlib: Bell durumu

import matplotlib

matplotlib.use("Agg")
import matplotlib.pyplot as plt
from qiskit import QuantumCircuit
from qiskit.quantum_info import Statevector
from qiskit.visualization import plot_state_city

qc = QuantumCircuit(2)
qc.h(0)
qc.cx(0, 1)

fig = plot_state_city(
    Statevector(qc),
    title="Bell |Φ+⟩ — state city (ideal)",
    figsize=(7.5, 3.5),
    color=["#1e3a5f", "#8b2942"],
)
fig.savefig("state_city_bell.png", dpi=140, bbox_inches="tight")
plt.close(fig)
print("Yazıldı: state_city_bell.png")

DensityMatrix (yorum)

Aşağıdaki satırlar bilinçli olarak yorumdadır; gürültü kanalı veya Aer çıktısı ile DensityMatrix üretildiğinde aynı çağrı kullanılabilir.

# from qiskit.quantum_info import DensityMatrix
# from qiskit_aer import AerSimulator
#
# noisy = ...  # kanal veya simülatör ile DensityMatrix üretin
# fig = plot_state_city(DensityMatrix(noisy), title="ρ (gürültülü)")
# fig.savefig("state_city_noisy.png", dpi=140, bbox_inches="tight")

State city; yoğunluk matrisinin hesaplamalı bazda Re/Im şehir görünümüdür. Devre çizimi, histogram ve qsphere ile birlikte tamamlayıcı bir projeksiyon sunar; donanımdan doğrudan tam ρ okuma beklentisi dışında tutulmalıdır.

Güncel parametre listesi IBM API belgelerinde tutulur; üretimde Matplotlib arka ucu ve dosya çıktısı sabitlenmelidir.

• Hibrit devre çizimi — kapı sırası şeması.
• Qsphere görselleştirme — küresel durum görünümü.
• IBM Quantum: Kuantum durumlarını çizme.
• IBM Quantum API: plot_state_city.