作者：張晏瑞 / 臺灣大學IBM量子電腦中心研究助理
量子電路是量子計算的基礎，它利用量子位元（或稱qubits）進行運算，而這些基於量子力學的qubits可以同時存在於多種狀態。比起傳統的二進位古典位元（即位元，只能是0或1），量子位元有更大的資訊儲存能力，這使得量子計算擁有解決傳統計算無法有效解決的問題的潛力。請注意，儘管量子電路和量子計算有著巨大的潛力，但要真正實現其潛力，我們需要解決許多技術和理論挑戰，包括改進qubits的質量和壽命，減少量子雜訊，以及發展有效的量子錯誤修正策略。
量子電路的基礎概念
量子電路由量子邏輯閘和量子位元組成，藉由量子邏輯閘來控制和變換量子位元的狀態。設計量子電路需要量子算法的深度理解和量子力學原理的廣泛知識。在量子電路設計中，我們需要選擇恰當的量子邏輯閘，並按照特定順序排列它們以實現我們想要的功能或計算。基本的量子閘包括單位閘、Pauli閘（如X、Y和Z閘）、相位閘和Hadamard閘等。
使用Qiskit的來設計及執行量子電路通常概括以下四個步驟：
- 建立：設計代表您正在考慮的問題的量子電路。
- 編譯：將電路編譯為特定的量子電腦可以解析的語言。
- 執行：在指定的量子服務上運行編譯後的電路。這些服務可以是運行在量子電腦或是模擬器。
- 分析：計算實驗結果的摘要統計數據並進行可視化。
Qiskit使用介紹
Qiskit是一個開源的量子計算框架，由IBM Quantum開發，用於在量子電腦上編寫、測試和執行量子計算。
Qiskit Composer和Qiskit Lab是IBM Quantum Experience的兩個網頁工具，讓你可以在網頁上設計、模擬和執行量子電路，而無需在本機中安裝和運行Qiskit，提供一個方便操作的環境。
Qiskit Composer：Qiskit Composer是一個圖形化的量子電路設計工具。你可以透過簡單的拖放操作來在量子電路上添加和配置量子邏輯閘。完成設計後，可以在模擬器上模擬你的量子電路，或者在真正的量子硬體上執行量子電路。也可以查看和分析量子電路的執行結果，例如使用直方圖來顯示量子狀態的機率分布。
Qiskit Lab：Qiskit Lab是一個線上的Jupyter Notebook環境，可在網頁上編寫和執行Qiskit程式。使用Python語言和Qiskit函式庫來設計量子電路、撰寫量子演算法，並在模擬器或真正的量子硬體上執行量子程式。Qiskit Lab還提供了一些範例程式和教程，可以幫助你更好地理解如何使用Qiskit來進行量子計算。
操作步驟：
- 先載入所需要的模組
- 檢視可以執行運算的機器
你可以看到可以執行的量子電腦硬體IBMQBackend和模擬器IBMQSimulator。
- 選擇要執行運算的平台並畫出量子電腦硬體的狀態
- 設計量子電路，介紹如何利用量子電路建立糾纏態。
該電路需要準備兩個量子位元及兩個古典位元來記錄並顯示結果，並將此電路命名為circuit
要創建糾纏態需要一個H gate作用在第一個位元上，並作用上CNOT gate
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- 選擇執行平台並顯示出結果
- 模擬器'ibmq_qasm_simulator'執行
- 實機'ibmq_jakarta'執行
也可以利用least_busy功能自動選擇最快可執行的時機，減少等待的時間
結語
在Qiskit上，可以選擇在模擬器或真實的量子硬體（實機）上運行量子電路。兩者的主要差異在於精度、性能和實際應用的範圍。
模擬器：模擬器是在傳統電腦上模擬量子計算的軟體工具。模擬器可以提供理想化的計算環境，可以在不受物理限制和量子雜訊影響的情況下測試和調試量子電路。然而，由於量子計算的複雜性，模擬器只能模擬有限數量的量子位元。當量子電路的大小和複雜度增加時，模擬所需的計算資源將迅速增加，限制了模擬器可以處理的問題的大小和複雜度。
實機：真實的量子硬體可以執行在模擬器上無法處理的大型和複雜的量子電路。然而，真實的量子硬體受到物理限制和量子雜訊的影響，這可能導致計算結果的誤差。此外，真實的量子硬體目前只有有限的量子位元數量，並且這些量子位元的壽命也有限，這也限制了實機可以處理的問題的大小和複雜度。
總體來說，選擇在模擬器或實機上運行量子電路取決於你的需求。如果只是想測試和執行量子電路，或者量子電路相對較小，那麼模擬器可能是一個好選擇。若想解決模擬器無法處理的大型和複雜的問題，或者想在真實的量子硬體上測試量子電路，那麼就需要使用實機。
這兩個工具都需要一個IBM Quantum Experience的帳戶來使用，如果你還未註冊，可以在IBM Quantum Experience的網站上免費註冊。
學會設計電路後更進一步，我們還需要考慮量子雜訊和qubits的相互作用，以及其對量子電路效能的影響。量子電路的設計和優化是當前量子計算領域的一個活躍研究領域，
參考：https://qiskit.org/