硬件高效拟设（Hardware-Efficient Ansatz）

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类别 C4 · 模块 oracq.algorithms.optimization.variational · 阶段 V3

概述

硬件高效拟设是一类参数化电路：每层先对每个量子比特施加独立的 Ry/Rz 单比特旋转，再用相邻比特间的 CNOT 链产生纠缠。角度向量由经典优化器选择，使目标泛函（能量、损失等）在拟设表达的态上最优。本模块生成给定角度的电路，参数优化与重复执行由调用方组织。

接口与输入模型

hardware_efficient_ansatz(width, layers)

API 入口：hardware_efficient_ansatz

  • width：target 位宽，范围 1..64。

  • layers：角度张量，形状为 [layer][qubit][Ry, Rz]——非空、每层恰有 width 个角度对、每对恰有两个有限实数角度（弧度）。

变分角度是经典数据直接参数化，input model 为 CP。返回 Operation，寄存器只有 target（width 位）。模块属性：

属性

含义

algorithm

"hardware_efficient_ansatz"

layers

层数

实现要点

每层按"先旋转、后纠缠"两段生成：对每个比特依次施加 Ry(θ) 与 Rz(φ)，然后对相邻比特对 (i, i+1) 逐个施加 CNOT（线路原语为 XOR）。纠缠结构固定为线性链，没有层间重排或纠缠策略开关；非链式连通的硬件由后端降低阶段插入交换。参数形状违例（层数为零、每层长度不等于 width、角度对长度不是 2、非有限角度）在生成期抛 ValidationError。

零角度时整条电路为恒等，这是当前数值见证的锚点。适用边界：拟设只负责生成电路；表达力与可训练性（如 barren plateau）不在验证范围，也没有内置参数初始化策略。

验证方案

类别 C4（启发式/优化语义，判定准则见 ../../development/validation-plan.md §2）。三层证据：

  • 结构：tests/core/test_algorithm_expansion.py:AlgorithmExpansionTests.test_bad_inputs_fail_at_generation 覆盖参数布局违例（如每层角度对数量不足）。

  • 数值：AlgorithmExpansionTests.test_ansatz_zero_angles_and_walk_one_step——全零角度的单层拟设作用后态保持 \(\lvert 0\ldots0\rangle\)（幅度精确为 1），钉死旋转与 CNOT 链在零参数下的恒等性（同测试的后半段见证 walks.py 的 cycle walk，见该模块）。

  • 绑定：本模块无独立绑定见证（输入为经典参数）。

已知缺口与计划阶段

与 validation-coverage.md 的 variational.py 行一致：该行登记的唯一缺口是"达到小实例最优割"的强见证（落在 QAOA 侧，V3 接入）；拟设电路自身无登记缺口。

相关链接

数值验证

论文级数值实验见 tests/verification/verify_misc_algorithms.py（misc_algorithms 组），全部在真实后端上执行。

实验设计：width = 3、两层共 12 个非平凡角度（每层每比特 Ry/Rz 对）的硬件高效拟设；经典预言机为逐门构造的 numpy 态向量（独立实现 Ry/Rz/CNOT 的 exactly-same 层序与低位比特约定）。后端路径：reference、rir-pysparq、adapter-pysparq、originir-ext 四路径全振幅对拍。

关键指标：

案例

规模

路径

最大幅度误差

保真度

跨后端偏差

ansatz-parameter-intent

3 比特、2 层

四路径全振幅对拍

0

1 − 4e-16

0

复现：

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

产物：out/verification/misc_algorithms.json（24 个案例全过，本页对应 ansatz-parameter-intent 案例）。