Opcode 模拟器详解#

什么时候进入本页#

当你需要了解底层模拟器的实现细节、支持的后端类型、量子门列表或直接操作 opcode 列表时，进入本页。

本页是本地模拟的延伸阅读，适合已经完成基础模拟验证、需要深入理解后端行为或排查底层问题的读者。

如果你还未完成基础线路构建与本地模拟，建议先阅读本地模拟。

OpcodeSimulator 是 UnifiedQuantum 的底层模拟器，直接操作 opcode 列表进行量子线路模拟。它通过 C++ 扩展（pybind11）实现高性能计算。

创建模拟器#

from uniqc.simulator import OpcodeSimulator

# 状态向量后端（默认）
sim = OpcodeSimulator(backend_type='statevector')

# 密度矩阵后端（支持噪声模拟）
sim = OpcodeSimulator(backend_type='density_matrix')

# 基于 QuTip 的密度矩阵后端（用于交叉验证）
sim = OpcodeSimulator(backend_type='density_matrix_qutip')

支持的后端类型#

后端	类型别名	说明	噪声支持
`statevector`	`state_vector`	纯态状态向量模拟	❌
`density_matrix`	`density_operator`, `densitymatrix`	C++ 密度矩阵模拟	✅
`density_matrix_qutip`	`density_operator_qutip`	QuTip 密度矩阵（验证用）	✅

支持的量子门#

单量子比特门#

门名	操作	参数
`H`	Hadamard	无
`X`	Pauli-X (NOT)	无
`Y`	Pauli-Y	无
`Z`	Pauli-Z	无
`S`	S 门 (√Z)	无
`SDG`	S†	无
`T`	T 门 (∜Z)	无
`TDG`	T†	无
`SX`	√X	无
`RX`	绕 X 轴旋转	`theta`
`RY`	绕 Y 轴旋转	`theta`
`RZ`	绕 Z 轴旋转	`theta`
`U1`	相位门	`lambda`
`U2`	U2 门	`phi`, `lambda`
`U3`	通用单比特门	`theta`, `phi`, `lambda`

双量子比特门#

门名	操作	参数
`CNOT` / `CX`	受控 NOT	无
`CZ`	受控 Z	无
`SWAP`	SWAP	无
`ISWAP`	iSWAP	无
`XY`	XY 交互	`theta`
`XX`	XX 交互	`theta`
`YY`	YY 交互	`theta`
`ZZ`	ZZ 交互	`theta`

三量子比特门#

门名	操作	参数
`TOFFOLI` / `CCX`	Toffoli	无
`CSWAP` / `Fredkin`	受控 SWAP	无

特殊门#

门名	操作	参数
`RPhi`	绕 Bloch 球面 φ 角旋转	`theta`, `phi`
`RPhi90`	90° RPhi	`phi`
`RPhi180`	180° RPhi	`phi`
`UU15`	双比特通用门（15 参数）	15 个角度参数
`PHASE2Q`	双比特相位	`theta`

受控门支持#

所有门都支持通过 control_qubits_set 参数添加控制量子比特：

# 对 qubit 0 施加 X 门，以 qubit 1 为控制位
sim.x(qubit=0, control_qubits_set=[1], is_dagger=False)

模拟结果获取#

# 初始化量子比特数
sim.init_n_qubit(n_qubit)

# ... 施加门操作 ...

# 获取概率分布（指定测量比特）
prob = sim.pmeasure(measure_qubits)

# 获取状态向量（仅 statevector 后端）
sv = sim.state

# 获取密度矩阵（仅 density_matrix 后端）
dm = sim.state

直接使用 Opcode 列表#

Opcode 列表是 (operation, qubit, cbit, parameter, is_dagger, control_qubits_set) 元组的列表：

opcodes = [
    ('H', [0], None, None, False, []),
    ('CNOT', [0, 1], None, None, False, []),
    ('RX', [0], None, [1.57], False, []),
]

sim = OpcodeSimulator()
sim.init_n_qubit(2)
for opcode in opcodes:
    operation, qubit, cbit, parameter, is_dagger, control_qubits_set = opcode
    sim.simulate_gate(operation, qubit, cbit, parameter, is_dagger, control_qubits_set)

已知限制#

statevector 后端：所有门均已通过测试