Qiskit SDK의 비트 순서

패키지 버전

이 페이지의 코드는 다음 요구 사항을 사용하여 개발되었습니다. 이 버전 이상을 사용하는 것을 권장합니다.

qiskit[all]~=2.6.1

$n$개의 비트(또는 qubit)가 있을 때, 각 비트에는 보통 $0 \rightarrow n-1$의 레이블을 붙입니다. 각 소프트웨어와 리소스는 컴퓨터 메모리 및 화면 표시 시 이 비트들을 어떤 순서로 배열할지 결정해야 합니다.

Qiskit 규칙

다음은 Qiskit SDK가 다양한 시나리오에서 비트를 정렬하는 방법입니다.

프리미티브

기본적으로 Qiskit은 리틀 엔디언 비트 순서 규칙을 따라요. 하지만 BitArray의 기본값은 big(엔디언)이어서, 프리미티브가 이 설정을 변경하는지 여부에 따라 프리미티브 출력에 차이가 생겨요. 예를 들어 IBM® Quantum Compute Service의 Sampler와 Estimator 프리미티브는 빅 엔디언 결과를 반환하지만, Executor는 리틀 엔디언 결과를 반환해요.

Quantum Circuit

QuantumCircuit 클래스는 Qubit을 리스트(QuantumCircuit.qubits)에 저장해요. 이 리스트에서 Qubit의 인덱스가 해당 Qubit의 레이블을 정의해요.

# Added by doQumentation — installs the packages this notebook needs if they are missing
import importlib.util

_needed = {"qiskit": "qiskit"}
_missing = [pip for module, pip in _needed.items()
            if importlib.util.find_spec(module) is None]
# One at a time, so a package that fails to install does not block the others
for _pip in _missing:
    %pip install -q {_pip}
if not _missing:
    print("\u2713 All required packages are installed")

from qiskit import QuantumCircuit, QuantumRegister
from qiskit.circuit import Qubit

qc = QuantumCircuit(2)
qc.qubits[0]  # qubit "0"

Qubit(QuantumRegister(2, "q"), 0)

<Qubit register=(2, "q"), index=0>

Circuit 다이어그램

Circuit 다이어그램에서 qubit $0$은 가장 위쪽 Qubit이고, qubit $n-1$은 가장 아래쪽 Qubit입니다. QuantumCircuit.draw의 reverse_bits 인수를 사용하여 이 순서를 변경할 수 있습니다(Qiskit에서 순서 변경하기 참조).

qc.x(1)
qc.draw()

q_0: ─────
     ┌───┐
q_1: ┤ X ├
     └───┘

정수

비트를 숫자로 해석할 때, 비트 $0$은 최하위 비트(least significant bit)이고, 비트 $n-1$은 최상위 비트(most significant bit)입니다. 이는 코딩 시 각 비트가 $2^\text{label}$ 값을 갖기 때문에 편리합니다(레이블은 QuantumCircuit.qubits에서 Qubit의 인덱스입니다). 예를 들어, 다음 Circuit 실행은 비트 $0$이 0이고 비트 $1$이 1인 상태로 종료됩니다. 이는 십진수 정수 2로 해석됩니다(측정 확률 1.0).

from qiskit.primitives import StatevectorSampler as Sampler

qc.measure_all()

job = Sampler().run([qc])
result = job.result()
print(f" > Counts: {result[0].data.meas.get_counts()}")

> Counts: {'10': 1024}

문자열

비트(또는 qubit) 리스트를 문자열로 표시하거나 해석할 때, 비트 $n-1$은 가장 왼쪽 비트이고 비트 $0$은 가장 오른쪽 비트입니다. 이는 숫자를 쓸 때 보통 최상위 숫자를 왼쪽에 쓰기 때문이며, Qiskit에서 비트 $n-1$은 최상위 비트로 해석됩니다.

예를 들어, 다음 셀은 단일 qubit 상태의 문자열로부터 Statevector를 정의합니다. 이 경우, qubit $0$은 $|+\rangle$ 상태이고 qubit $1$은 $|0\rangle$ 상태입니다.

from qiskit.quantum_info import Statevector

sv = Statevector.from_label("0+")
sv.probabilities_dict()

{np.str_('00'): np.float64(0.4999999999999999),
 np.str_('01'): np.float64(0.4999999999999999)}

가장 왼쪽 비트가 비트 $0$일 것으로 예상할 수 있지만 실제로는 비트 $n-1$을 나타내기 때문에, 비트 문자열을 해석할 때 간혹 혼란이 생길 수 있습니다.

Statevector 행렬

Statevector를 복소수(진폭) 리스트로 나타낼 때, Qiskit은 인덱스 $x$의 진폭이 계산 기저 상태 $|x\rangle$를 나타내도록 진폭을 정렬해요.

print(sv[1])  # amplitude of state |01>
print(sv[2])  # amplitude of state |10>

(0.7071067811865475+0j)
0j

Gate

Qiskit의 각 Gate는 qubit 리스트를 고유한 방식으로 해석할 수 있지만, 제어 Gate는 보통 (control, target) 규칙을 따릅니다.

예를 들어, 다음 셀은 qubit $0$이 제어이고 qubit $1$이 타겟인 controlled-X Gate를 추가합니다.

from qiskit import QuantumCircuit

qc = QuantumCircuit(2)
qc.cx(0, 1)
qc.draw()

q_0: ──■──
     ┌─┴─┐
q_1: ┤ X ├
     └───┘

앞서 언급한 Qiskit의 모든 규칙에 따라, 이 CX-Gate는 $|01\rangle \leftrightarrow |11\rangle$ 변환을 수행하므로 다음과 같은 행렬을 갖습니다.

$$\begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & 0 \\ \end{pmatrix}$$

Qiskit에서 순서 변경하기

Qubit를 역순(즉, qubit $0$이 맨 아래)으로 Circuit을 그리려면 reverse_bits 인수를 사용하세요. 이는 생성된 다이어그램에만 영향을 미치며 Circuit 자체에는 영향을 주지 않습니다. X-Gate는 여전히 qubit $0$에 작용합니다.

from qiskit import QuantumCircuit

qc = QuantumCircuit(2)
qc.x(0)
qc.draw(reverse_bits=True)

q_1: ─────
     ┌───┐
q_0: ┤ X ├
     └───┘

reverse_bits 메서드를 사용하면 Qubit의 레이블이 역전된 새 Circuit을 반환할 수 있습니다(원본 Circuit은 변경되지 않습니다).

qc.reverse_bits().draw()

q_0: ─────
     ┌───┐
q_1: ┤ X ├
     └───┘

이 새 Circuit에서 X-Gate는 qubit $1$에 작용한다는 점에 주의하세요.

다음 단계

권장 사항

• Grover 알고리즘 튜토리얼에서 Circuit 사용 예시를 확인하세요.
• QuantumCircuit API 참조 문서를 살펴보세요.