Ansatz devreleri — Parametreli şablon, bağlanma ve cihaz uyumu

Ansatz; varyasyonel yöntemlerde kuantum tarafının parametre uzayını taşıyan devredir. Bu sayfa Qiskit’teki hazır ansatz ailelerinin ortak desenini ( rotation_blocks + entanglement_blocks + reps), parametrelerin nasıl bağlandığını ve bağlanma seçiminin derinliği nasıl şekillendirdiğini işler; klasik optimizasyon algoritması, öğrenme oranı veya Estimator çağrı akışı VQE çerçevesi ve Varyasyonel algoritmalar sayfalarında kalır.

Pauli tabanlı maliyetin inşası Maliyet Hamiltonyenleri ve Gözlemlenebilir oluşturma başlıklarında derinleşir; burada yalnızca devrenin hangi kapı ailesiyle üretildiği vurgulanır.

Ne vaat edilmez

Her problem için otomatik en iyi ansatz; seçim deneysel ve donanım bağlıdır.

Faz tahmini veya Grover iskelesi; Faz tahmini araçları ve Grover araçları ayrı konulardır.

Ansatzlar Parameter veya ParameterVector nesneleri taşır; assign_parameters hem sözlük hem dizi kabul eder. Üretimde aynı θ vektörünün klasik optimizasyon adımı ile ilkel çağrısında bire bir eşlendiği loglarda doğrulanmalıdır; aksi halde enerji eğrisi izlenemez.

decompose() veya transpile sonrası devre, soyut ansatz ile aynı matematiksel aileyi temsil eder fakat yerel kapı sayısı farklıdır; “derinlik” raporlarında hangi aşamanın ölçüldüğü açık yazılmalıdır.

Bağımsız deneyler

Aynı ansatz sınıfı, farklı rastgele başlangıçlarla farklı yerel minimumlara düşebilir; çok başlangıçlı arama ansatz seçiminden bağımsız bir klasik katmandır fakat raporda ayrıştırılmalıdır.

TwoLocal ve türevleri, dönüşüm blokları ile bağlanma bloklarını reps kez yineler; RealAmplitudes genlikleri gerçek eksende parametreler, EfficientSU2 ise daha sık kullanılan SU(2) tabanlı bir şablondur. Özel sorunlar için QuantumCircuit içinde doğrudan Parameter eklemek mümkündür; kütüphane sınıfları tutarlı isimlendirme ve parametre sayısı için tercih edilir.

Pauli cebiri, dönüşüm bloklarının hangi eksenlerde döndüğünü okumak için arka plan sağlar; ansatzın kendisi Pauli toplamı değildir.

Özel ansatz

Uygulamaya özel kapılar (ör. simetri koruyan katmanlar) gömüldüğünde, parametre sayısı ile serbestlik derecesi dokümantasyonda açıkça listelenmelidir.

entanglement="linear" çoğu cihazın doğrusal zincirine uyar; "full" teorik olarak daha zengin etkileşim sunar fakat derinlik ve SWAP maliyeti hızla artar. reps arttıkça ifade gücü artarken gradyan sinyali zayıflayabilir ( barren plateau riski); küçük reps ile prototip, büyük reps ile donanım bütçesi karşılaştırması yapılır.

Bağlanma deseni, Hamiltonyenin etkileşim grafiği ile hizalanmadığında aynı parametre sayısı bile anlamsız arama alt uzayları üretebilir; bu yüzden Maliyet Hamiltonyenleri sayfasındaki grafik yapısı ile ansatz grafiğinin karşılaştırılması önerilir.

num_parameters ile depth() birlikte okunmalıdır: yüksek parametre sayısı düşük derinlikle de gelebilir (geniş açı parametrizasyonu); düşük parametre sayısı yüksek transpile derinliği üretebilir (çok kontrollü açılım). Raporlarda ikisi ayrı sütun olmalıdır.

Barren plateau literatüründe ansatz ve maliyet birlikte ele alınır; burada yalnızca derinlik–parametre–bağlanma üçlüsünün deney tasarımını nasıl kısıtladığı not edilir; tam teori Varyasyonel algoritmalar anlatımına bırakılır.

Aynı soyut ansatz, farklı coupling_map ve optimization_level ile farklı yerel devrelere dönüşür. Üretimde “soyut derinlik” yerine transpile sonrası CNOT sayısı ve kritik yol raporlanmalıdır.

Optimization seviyeleri ve Routing sayfaları, ansatzın donanıma oturtulmasını tamamlar.

Hata azaltma politikası seçilirken ansatz derinliği doğrudan gürültü birikimini etkiler.

Genel VQE’de ansatz serbestçe seçilir; VQE çerçevesi bu seçimin Estimator ve optimizasyonla nasıl birleştiğini işler. QAOA’da ansatz çoğu zaman QAOAAnsatz ile maliyet ve karıştırıcıya kilitlenir; QAOA çerçevesi bu özel şablonu anlatır. İki uç arasında “yarı özel” katmanlar (ör. problem düzenlenmiş bağlanma) yaygındır ve sürüm notlarında ayrılmalıdır.

Estimator ilkeli sayfası, bağlanmış ansatzın ilkel çağrısına nasıl geçirildiğini üst katmanda özetler.

İlk örnek RealAmplitudes ile parametre sayısı ve assign_parameters sonrası decompose().depth() ölçümü gösterir. İkinci örnek aynı kübit sayısında EfficientSU2 için linear ve full bağlanmanın derinliğe etkisini karşılaştırır.

RealAmplitudes + bağlama

import numpy as np
from qiskit.circuit.library import RealAmplitudes

ansatz = RealAmplitudes(num_qubits=2, reps=2, entanglement="linear")
theta = np.zeros(ansatz.num_parameters)
bound = ansatz.assign_parameters(theta)

print("Parametre sayısı:", ansatz.num_parameters)
print("Derinlik (decompose):", bound.decompose().depth())
print("ok")

EfficientSU2 · bağlanma karşılaştırması

from qiskit.circuit.library import EfficientSU2

for ent in ("linear", "full"):
    qc = EfficientSU2(3, reps=1, entanglement=ent)
    d = qc.decompose().depth()
    print(ent, "| params", qc.num_parameters, "| depth", d)
print("ok")

IBM Runtime Estimator (yorum)

Aşağıdaki satırlar bilinçli olarak yorumdadır; bağlanmış ansatzı ilkele geçirmek için oturum ve backend kimliği ortama göre doldurulur.

# from qiskit_ibm_runtime import Estimator, Session
# with Session(backend=backend) as session:
#     est = Estimator(session=session)
#     bound = ansatz.assign_parameters(theta)
#     job = est.run([(bound, [hamiltonian])])

Ansatz katmanı; parametreli şablon, bağlanma ve tekrar seçimleriyle tanımlanır; bağlama ve transpile sonrası metrikler üretimde zorunlu rapor alanlarıdır. Enerji yüzeyi ve klasik optimizasyon VQE çerçevesi içinde birleşir.

• VQE çerçevesi — ⟨H⟩ döngüsü.
• QAOA çerçevesi — özel QAOAAnsatz.
• Maliyet Hamiltonyenleri — etkileşim grafiği ile hizalama.
• IBM Quantum: Qiskit ve platform araçlarına giriş.
• IBM Quantum API: RealAmplitudes.