2. Qiskit电路对象再审视

在上一节中，我们已经把“模块封装与复用”确立为整门课的主线。但要真正把电路封装成可复用模块，前提是先吃透被封装的对象本身——QuantumCircuit。很多初学者把 QuantumCircuit 仅仅当作“装门子的容器”，于是封装时只会机械地 append 一堆门，结果模块既不可参数化、也不可组合、更无法在更大电路里被正确展开。本节我们重新审视这个对象模型，重点厘清三件事：它是怎么被构造出来的、多个电路如何组合成一个更大的电路、以及参数化能力如何让同一个电路结构适配不同数值。这三项能力，正是后续所有封装手段（自定义指令、QuantumCircuit 作为子模块、参数化门、compose 与 append 的取舍）所依赖的地基。

一、构造：从寄存器到指令序列

一个 QuantumCircuit 在内部并不是“一张门表”，而是由若干层信息共同构成的：量子寄存器（QuantumRegister）、经典寄存器（ClassicalRegister），以及按顺序记录的指令（CircuitInstruction），每条指令包含一个操作（Operation）和它作用的量子位/经典位。理解这一点非常关键：电路是“指令序列 + 位资源”的组合体，而不是单纯的图形。封装时我们关心的“这个模块需要几个量子位、几个经典位、内部有哪些门”，本质上都是在读这些属性。

构造方式有多种，最常用的是直接声明寄存器再逐条添加：

from qiskit import QuantumCircuit, QuantumRegister, ClassicalRegister

qr = QuantumRegister(2, "q")
cr = ClassicalRegister(2, "c")
qc = QuantumCircuit(qr, cr)
qc.h(qr[0])
qc.cx(qr[0], qr[1])
qc.measure(qr, cr)

也可以直接用整数构造 QuantumCircuit(2, 2)，此时 Qiskit 会自动创建名为 q、c 的寄存器。两种写法在功能上等价，但显式命名寄存器在封装场景下更可取：当模块被嵌入更大的电路时，寄存器名会成为位映射的依据，命名清晰能显著降低后续 compose 时“位对错”的风险。

值得强调的是，构造阶段就要想清楚模块的“接口”：它对外暴露几个量子位、是否需要经典位、测量是放在模块内部还是留给调用方。这些决定会直接影响后面封装成自定义指令时 num_qubits、num_clbits 的取值。

二、组合：compose、append 与张量积的分工

“组合”是复用最直接的体现：把已经写好的子电路拼进主电路。Qiskit 提供了几种语义不同的组合方式，混用会导致位序错乱或结构被意外展平，因此必须分清。

• compose(other, qubits=..., clbits=...)：把 other 作为一个整体贴到指定位置上，默认会保留 other 的内部结构（不展平），是“模块化拼接”的首选。
• append(instruction, qargs, cargs)：把单个操作追加到电路末尾，qargs 明确给出作用位。它更底层，适合把自定义指令或门对象挂上去。
• tensor / ^：把两个电路做张量积，得到并排作用于不同位空间的新电路，语义是“并行组合”而非“顺序拼接”。

下面这段示例把两个两比特子电路顺序拼成一个四比特电路，并显式指定落位，避免依赖默认顺序：

from qiskit import QuantumCircuit

sub_a = QuantumCircuit(2, name="bell")
sub_a.h(0); sub_a.cx(0, 1)

sub_b = QuantumCircuit(2, name="rot")
sub_b.rx(0.3, 0); sub_b.ry(0.5, 1)

main = QuantumCircuit(4)
main.compose(sub_a, qubits=[0, 1], inplace=True)
main.compose(sub_b, qubits=[2, 3], inplace=True)

这里 inplace=True 表示就地修改 main；若不写，compose 会返回新电路而不改动原对象。这个细节在封装函数里极易踩坑——如果封装函数内部忘了接收返回值，调用方拿到的仍是未组合的电路。建议在模块封装中统一约定：要么全部 inplace=True，要么全部返回新对象，不要混用。

另一个常被忽视的点是位映射。compose 的 qubits 参数是一个“目标位列表”，其长度必须等于子电路的量子位数，顺序即子电路第 0、1、… 位依次落到主电路的哪些位上。封装成可复用模块时，这个映射关系应当由模块的接口约定固定下来，而不是让调用方每次猜。

三、参数化：让结构复用、数值可变

如果说 compose 解决的是“结构复用”，那么参数化解决的是“数值复用”。做法是把旋转角等数值替换为 Parameter 对象，电路在构造时只记录符号，等到需要时才绑定具体值：

from qiskit.circuit import QuantumCircuit, Parameter

theta = Parameter("θ")
ansatz = QuantumCircuit(2, name="ansatz")
ansatz.ry(theta, 0)
ansatz.cx(0, 1)
ansatz.ry(theta, 1)

bound = ansatz.assign_parameters({theta: 0.4})
print(ansatz.parameters)   # {Parameter(θ)}
print(bound.parameters)    # set()

这里有两个实践要点。第一，参数是“电路级”的共享对象：同一个 theta 被用在两个 ry 上，绑定一次即同时生效；若希望两个角独立，就应使用 ParameterVector("θ", 2) 或两个不同名的 Parameter。第二，assign_parameters 默认返回新电路，原电路保持不变，这正好符合“模板 + 实例”的复用范式：模板只构造一次，每次实验生成一个绑定后的实例。

封装模块时，参数化还带来一个接口设计问题：模块应当把哪些参数暴露给调用方？推荐做法是让模块的 parameters 属性自然携带全部未绑定参数，调用方通过名字或 ParameterVector 索引绑定，而不是在封装函数里硬编码数值。这样同一个 ansatz 模块既能用于训练循环中的多次前向，也能用于不同超参数的对比实验。

四、为封装做准备：需要盯住的几个属性

把上述能力落到“封装”这个目标上，实际编码时应重点检查电路对象的以下属性，它们构成了模块的元数据：

其中 to_instruction() 是承上启下的关键：它把整个电路压缩成一个 Instruction，之后既可以用 append 挂到别的电路上，也可以注册为自定义指令供全局复用。需要注意的是，含测量的电路转成指令后，经典位也会成为接口的一部分，调用方必须提供对应的 cargs，否则会报位数量不匹配。