核心概念

本节介绍 PySparQ 稀疏态量子模拟的基础构建模块。理解这些概念是使用 Register Level Programming 范式的前提。

核心抽象

PySparQ 基于三个核心抽象构建：

  1. System — 单个计算基态，包含一个复数振幅 amplitude 和所有寄存器的值 registers

  2. SparseState — 托管 std::vector<System> 的稀疏量子态，仅存储振幅非零的基态

  3. Registers — 具有类型存储的命名量子变量，以 uint64_t 为存储单位，允许 |a⟩|b⟩|c⟩ 式的多寄存器编码

核心数据关系

  • SparseState 的默认构造函数会创建一个 |0...0⟩ 的初态（内部包含一个所有寄存器值为 0、振幅为 1 的 System）

  • 每个 System 实例中的寄存器值组合在 SparseState 中必须是唯一的——若出现重复，意味着发生了量子干涉，两个振幅应相加并去重

  • 量子编程的操作层面从量子比特上升到了量子寄存器，几乎所有操作都以寄存器为单位

与传统全态矢量模拟器存储 \(2^n\) 个振幅不同，PySparQ 仅存储非零基态，使得叠加态数量有限的量子算法可以在多项式资源内模拟。