SWAP 检验（Swap Test）

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类别 C3 · 模块 oracq.algorithms.common.estimation · 阶段 V2

概述

测量两个纯态的重叠模方 \(F=|\langle a|c\rangle|^2\)：受控交换把两态的对称分量干涉到探针上，

\[ P(\text{probe}=0) = \frac{1+F}{2}. \]

该操作不执行测量；采样与统计由宿主完成。

接口与输入模型

swap_test(first, second)

API 入口：swap_test

返回 Operation，寄存器为 left、right、left_work、right_work、probe。模块属性：

属性

含义

algorithm

"swap_test"

readout_register

"probe"

实现要点

两个制备只正向调用；条件交换（swap 于 control(probe) 之下）由算法生成。left/right 各带独立的 work 寄存器，复净由 SP 契约保证——标注 clean_work=False 的脏制备在生成期被拒绝。读出按上式从 probe 零概率解码 \(F\)。

验证方案

类别 C3（判定准则见 docs/development/validation-plan.md §2：输出分布等于闭式期望）。三层证据与 docs/development/validation-coverage.md 的 estimation.py 行一致：

  • 结构：tests/core/test_algorithm_expansion.py:AlgorithmExpansionTests，其中 test_measurement_algorithms_require_clean_preparation 覆盖脏制备拒绝路径（clean_work=False 抛 ValidationError）。

  • 数值：AlgorithmExpansionTests.test_swap_test_overlap——basis_state(1, 0) 与 basis_state(1, 1) 两两组合：同一基态（\(F=1\)）时 \(P(\text{probe}=0)=1\)，正交基态（\(F=0\)）时为 \(1/2\)，places=10。

  • 绑定：模块行登记为"—"。

见证技术为精确态矢量模拟取 probe 边际分布后对拍闭式，无采样断言。

已知缺口与计划阶段

本算法无单独缺口；estimation.py 登记的唯一缺口属于 QAE 的置信区间声明（见振幅估计），模块整体处于阶段 V2。

相关链接

数值验证

tests/verification/verify_estimation.py 在真实后端上对本接口做概率级数值验证（共 4 个案例，全部通过）。实验设计：

  • 实例：gate_state_prep 制备的纯态对，覆盖 \(F=1\)（同态）、\(F\approx 0\)（正交）、\(F=0.36\)（部分重叠）与双比特态 \(F=0.125\)；重叠 \(F=|\langle a|c\rangle|^2\) 由 numpy 对输入幅度向量独立计算。

  • 后端路径：reference、rir-pysparq、adapter-pysparq、originir-ext 四条；\(P(\text{probe}=0)\) 对照 \((1+F)/2\)。

案例

规模

路径

指标值

同态 \((0.6,0.8)\)

各 1 位

全部四条

\(F=1\)，\(P(0)=1\)，误差 \(2.2\times10^{-16}\)

正交 \((0.6,0.8)\) vs \((0.8,-0.6)\)

各 1 位

全部四条

\(F\approx 0\)，\(P(0)=0.5\)，误差 \(1.1\times10^{-16}\)

部分重叠 $

0\rangle\( vs \)(0.6,0.8)$

各 1 位

全部四条

双比特态

各 2 位

全部四条

\(F=0.125\)，\(P(0)=0.5625\)，误差 \(1.1\times10^{-16}\)

复现命令：

PYTHONPATH=src /home/agony/projects/qcfd-dev/quantum-cfd-software/.venv/bin/python tests/verification/verify_estimation.py

产物路径：out/verification/estimation.json（案例名前缀 swap-test-）。