2. 量子电路实验基础与复现要素

要复现一次量子电路实验，首先必须清楚“一次实验”到底由哪些东西构成。很多初学者把复现理解为“把电路图重新画一遍”，结果在另一台机器上跑出来的计数分布与原始结果相差甚远，却找不到原因。问题往往不在电路本身，而在于电路之外的要素——后端是谁、跑了多少 shots、优化等级是多少、原始数据长什么样。本节先回顾量子电路的基本组成与执行流程，再把这些要素拆解为可记录、可比对的四类复现要素。

一、量子电路的基本组成

一个量子电路在结构上由三部分构成：量子寄存器（若干量子比特，编号从 0 开始）、经典寄存器（用于存放测量结果，宽度可与量子比特数不同）、以及按时间顺序排列的指令序列。指令分为三类：量子门操作（单比特门如 H、X、RX，双比特门如 CX、CZ）、测量操作（把量子比特的 Z 基测量结果写入指定经典位）、以及复位/屏障等辅助指令。

以制备两比特 Bell 态为例，其电路描述可以写成如下形式（以 Qiskit 风格伪代码表示，便于记录与比对）：

qc = QuantumCircuit(2, 2)
qc.h(0)          # 对 q0 施加 Hadamard 门
qc.cx(0, 1)      # 以 q0 为控制、q1 为目标施加 CX
qc.measure([0, 1], [0, 1])   # 测量并写入经典位 c0, c1

这段描述包含三个关键信息：比特数（2 量子比特 + 2 经典比特）、门序列及其作用对象、测量映射关系。复现时这三者必须完全一致，否则电路语义就变了。例如把 cx(0,1) 写成 cx(1,0)，虽然门类型相同，但控制与目标互换，在纠缠态上会产生不同的相位关系，最终统计分布可能看似相同、相干性却已不同。

二、执行流程：从电路到计数

量子电路本身只是“程序”，真正产生结果需要经过一条执行链：电路构造 → 编译/转译（transpile）→ 提交到后端 → 后端执行 → 返回结果。这条链上每一步都会引入影响复现的变量。

编译阶段最容易被忽视。真实后端支持的基门集合有限（例如只支持 rz、sx、cx），因此 H 门会被分解为 rz 与 sx 的组合；同时编译器会根据后端耦合图（coupling map）插入 SWAP 门以满足连通性约束。优化等级 opt_level 从 0 到 3，等级越高门数通常越少，但不同版本编译器的具体策略可能不同。这意味着：同一份源电路，在不同后端、不同优化等级下，实际执行的物理电路并不相同。

执行阶段则由 shots（重复次数）决定统计精度。一次 shots=1024 的运行，对 Bell 态可能得到 {'00': 503, '11': 521} 这样的计数；若 shots=100，同样的电路可能得到 {'00': 47, '11': 53}。计数本身带有统计涨落，复现时若 shots 不同，直接比较绝对计数是没有意义的，应比较归一化后的频率及其置信区间。

三、四类复现要素的具体含义

电路描述是复现的语义基础。除了比特数、门序列、测量映射，还应记录带参数门的实际参数值（如 rx(0.785) 中的 0.785 弧度），以及电路是否经过等价变换。建议直接保存源电路的序列化文本（如 QASM 字符串），而不是只保存截图，因为截图无法还原参数精度。

后端属性决定了物理电路长什么样。需要记录后端名称、量子比特数、基门集合、耦合图，以及校准时间戳。这一点常被忽略：同一台机器在不同日期的 T1、T2、读出保真度、门错误率都会变化，昨天的结果今天未必能复现。若无法回到同一校准状态，至少应在记录中注明差异，避免把“机器漂移”误判为“电路写错”。

运行参数包括 shots、优化等级、转译种子（seed_transpiler）、是否启用测量误差缓解等。其中转译种子值得特别强调：编译器在优化时可能做随机选择，固定种子能让同一版本编译器产生相同的物理电路，这是提高可复现性的低成本手段。

原始数据指后端返回的计数字典及其元数据，包括作业 ID、提交时间、执行时长、后端状态快照。保留原始计数而非只保留画好的柱状图，是因为后续可能需要重新归一化、计算保真度或做误差缓解，这些都需要原始计数作为输入。

四、一个可操作的复现记录示例

把上述要素落成一份可填写的记录，复现时就有了对照基准。以下为示例结构（数值为教学假设，非实测）：

复现时的判断逻辑是：先核对电路描述与运行参数是否逐字一致，再确认后端是否同型号、校准时间是否接近；若都满足，则比较归一化频率。以 Bell 态为例，理想情况下 '00' 与 '11' 各约 0.5，若实测出现明显的 '01'、'10' 成分（例如各占 0.05 以上），通常提示读出错误或双比特门错误偏高，而不是电路逻辑写错。此时应回到后端属性中的错误率数据去解释，而不是反复修改电路。

综上，量子电路实验的复现要素可以概括为：电路描述定语义、后端属性定物理实现、运行参数定统计条件、原始数据定比较基准。四者齐备，复现才从“碰运气”变成可验证的工程过程。