動的回路
動的回路では、回路の実行中に量子ビットを測定し、その測定結果を用いてその後の演算を制御することが可能です。 Qiskitは、動的回路の構築およびその推論について、幅広いサポートを提供しています。 詳細については、「 古典的なフィードフォワードおよび制御フローのガイド 」を参照してください。
QiskitのC APIは現在、制御フロー命令および古典的な式の検査のみをサポートしています。 古典的な式を作成したり、制御フロー命令を追加したりする機能は、今後のQiskitのリリースで追加される予定です。
このAPIを利用する際は、以下の前提条件および制限事項に留意してください：
- 制御フローおよび従来の式APIによって返されるオブジェクトのほとんどは、読み取り専用のポインタ（として返される
const *）です。 これらは、親オブジェクト（たとえば、命令IfElseを所有する回路など）が存続している間のみ有効です。 したがって、呼び出し側は、借用したポインタを解放してはならず、親オブジェクトがそれらのポインタの使用期間よりも長く存続するようにしなければなりません。 - このAPIではエラーコードは使用されません。 正しく呼び出されれば、これらの関数は絶対に間違いを犯しません。 ただし、バリアント固有の関数（例：
qk_control_flow_box_duration_kind()（…というBox命令を期待する）は、型が正しくないオブジェクトが渡されるとパニックを起こし、そのプロセスを中止します。 これを防ぐため、適切なバリアント固有の関数を呼び出す前に、オブジェクトの型や種類を確認するための一連のクエリ関数が用意されています。 - Qiskitでは、制御フローや、従来のレジスタの条件値やswitch caseのラベルといった従来の式構文の一部を表現するために、大きな整数が使用されています。 将来的には、C API にビッグ整数の完全なサポートが追加される予定です。 それまでは、このAPIにおける数値は、
uint64_t.に収まる範囲に制限されます。
以下のサンプルプログラムでは、制御フロー命令や古典式を検査するためのすべてのAPI関数および型に加え、厳選された古典的なレジスタ照会関数についても紹介しています。 エントリポイントは最下部 inspect_circuit にあります。そこでは、その上に定義されたヘルパー関数が呼び出されます。
// Forward declarations for recursive circuit inspection
void inspect_circuit(const QkCircuit *, const QkControlFlowInstruction *, int);
void inspect_register(const QkClassicalRegister *creg, int indent) {
size_t num_bits = qk_classical_register_num_bits(creg);
char *reg_name = qk_classical_register_name(creg);
printf("%*sClassical Register: name='%s', num_bits=%zu\n", indent, "",
reg_name ? reg_name : "<unnamed>", num_bits);
qk_str_free(reg_name);
}
void inspect_expr(const QkExprNode *expr_node, int indent) {
QkExprNodeKind kind = qk_expr_kind(expr_node);
printf("%*sExpression kind: %d\n", indent, "", kind);
switch (kind) {
case QkExprNodeKind_Unary: {
QkUnaryExprInfo unary = qk_expr_unary_info(expr_node);
printf("%*sUnary operation: op=%d, type=%d\n", indent, "", unary.op, unary.ty.ty);
printf("%*sOperand:\n", indent, "");
inspect_expr(unary.operand, indent + 2);
break;
}
case QkExprNodeKind_Binary: {
QkBinaryExprInfo binary = qk_expr_binary_info(expr_node);
printf("%*sBinary operation: op=%d, type=%d\n", indent, "", binary.op, binary.ty.ty);
printf("%*sLeft operand:\n", indent, "");
inspect_expr(binary.left, indent + 2);
printf("%*sRight operand:\n", indent, "");
inspect_expr(binary.right, indent + 2);
break;
}
case QkExprNodeKind_Cast: {
QkCastExprInfo cast = qk_expr_cast_info(expr_node);
printf("%*sCast to type: %d", indent, "", cast.ty.ty);
if (cast.ty.ty == QkExprType_Uint) {
printf(" (width=%u)", cast.ty.width);
}
printf("\n%*sOperand:\n", indent, "");
inspect_expr(cast.operand, indent + 2);
break;
}
case QkExprNodeKind_Index: {
QkIndexExprInfo index = qk_expr_index_info(expr_node);
printf("%*sIndex operation, type=%d\n", indent, "", index.ty.ty);
printf("%*sTarget:\n", indent, "");
inspect_expr(index.target, indent + 2);
printf("%*sIndex:\n", indent, "");
inspect_expr(index.index, indent + 2);
break;
}
case QkExprNodeKind_Value: {
const QkValue *value = qk_expr_as_value(expr_node);
QkExprTypeInfo value_type = qk_value_type_info(value);
printf("%*sValue type: %d", indent, "", value_type.ty);
switch (value_type.ty) {
case QkExprType_Duration: {
QkDurationInfo duration_info = qk_value_duration_info(value);
if (duration_info.ty == QkDurationType_Dt) {
printf(", value=%ld dt\n", duration_info.value.dt);
} else {
printf(", value=%f (unit: %d)\n", duration_info.value.time, duration_info.ty);
}
break;
}
case QkExprType_Float: {
double float_val = qk_value_float(value);
printf(", value=%f\n", float_val);
break;
}
case QkExprType_Uint: {
uint64_t val = qk_value_uint(value);
printf(" (width=%u), value=%lu\n", value_type.width, val);
break;
}
case QkExprType_Bool: {
bool bool_val = qk_value_bool(value);
printf(", value=%s\n", bool_val ? "true" : "false");
break;
}
}
break;
}
case QkExprNodeKind_Var: {
const QkVar *var = qk_expr_as_var(expr_node);
char *name = qk_var_name(var);
QkExprTypeInfo type_info = qk_var_type_info(var);
printf("%*sVariable: name='%s', type=%d", indent, "", name ? name : "<unnamed>",
type_info.ty);
if (type_info.ty == QkExprType_Uint) {
printf(" (width=%u)", type_info.width);
}
printf("\n");
if (name != NULL) {
qk_str_free(name);
}
break;
}
case QkExprNodeKind_Stretch: {
const QkStretch *stretch = qk_expr_as_stretch(expr_node);
char *name = qk_stretch_name(stretch);
printf("%*sStretch: name='%s'\n", indent, "", name);
qk_str_free(name);
break;
}
}
}
void inspect_condition(const QkControlFlowInstruction *cf_inst, int indent) {
QkConditionType condition_type = qk_control_flow_condition_type(cf_inst);
printf("%*sCondition type: %d\n", indent, "", condition_type);
switch (condition_type) {
case QkConditionType_ClBit: {
QkConditionBitInfo cond_bit_info = qk_control_flow_condition_bit_info(cf_inst);
printf("%*sCondition on classical bit: clbit=%u, value=%s\n", indent, "",
cond_bit_info.clbit, cond_bit_info.condition ? "true" : "false");
break;
}
case QkConditionType_ClReg: {
uint64_t cond_width = qk_control_flow_condition_reg_cond_bit_width(cf_inst);
printf("%*sCondition on classical register (width=%lu bits)\n", indent, "", cond_width);
if (cond_width <= 64) {
uint64_t condition = qk_control_flow_condition_reg_cond_uint(cf_inst);
printf("%*sCondition value: %lu\n", indent, "", condition);
} else {
printf("%*sCondition value too large (>64 bits) for direct display\n", indent, "");
}
const QkClassicalRegister *creg = qk_control_flow_condition_reg(cf_inst);
inspect_register(creg, indent + 2);
break;
}
case QkConditionType_Expr: {
printf("%*sCondition based on expression:\n", indent, "");
const QkExprNode *expr = qk_control_flow_condition_expr(cf_inst);
inspect_expr(expr, indent + 2);
break;
}
}
}
void inspect_box(const QkControlFlowInstruction *cf_inst, int indent) {
printf("%*sInspecting Box instruction\n", indent, "");
QkBoxDurationKind duration_type = qk_control_flow_box_duration_kind(cf_inst);
switch (duration_type) {
case QkBoxDurationKind_NoDuration:
printf("%*sNo duration specified\n", indent, "");
break;
case QkBoxDurationKind_Duration: {
QkDurationInfo duration_info = qk_control_flow_box_duration_val_info(cf_inst);
printf("%*sDuration: ", indent, "");
if (duration_info.ty == QkDurationType_Dt) {
printf("%ld dt\n", duration_info.value.dt);
} else {
printf("%f (unit: %d)\n", duration_info.value.time, duration_info.ty);
}
break;
}
case QkBoxDurationKind_Expr: {
printf("%*sDuration specified by expression:\n", indent, "");
const QkExprNode *expr = qk_control_flow_box_duration_expr(cf_inst);
inspect_expr(expr, indent + 2);
break;
}
}
}
void inspect_for_loop(const QkControlFlowInstruction *cf_inst, int indent) {
printf("%*sInspecting ForLoop instruction\n", indent, "");
QkLoopCollectionType collection_type = qk_control_flow_loop_collection_type(cf_inst);
printf("%*sCollection type: %s\n", indent, "",
collection_type == QkLoopCollectionType_List ? "List" : "Range");
switch (collection_type) {
case QkLoopCollectionType_List: {
QkLoopElements loop_elements = qk_control_flow_loop_elements(cf_inst);
printf("%*sLoop elements (%zu items): [", indent, "", loop_elements.len);
for (size_t i = 0; i < loop_elements.len; i++) {
printf("%zu%s", loop_elements.elements[i], i < loop_elements.len - 1 ? ", " : "");
}
printf("]\n");
break;
}
case QkLoopCollectionType_Range: {
int64_t start, stop, step;
qk_control_flow_loop_range(cf_inst, &start, &stop, &step);
printf("%*sLoop range: start=%ld, stop=%ld, step=%ld\n", indent, "", start, stop, step);
break;
}
}
// Inspect the loop parameter, if it exists
QkLoopParamKind param_kind = qk_control_flow_loop_param_kind(cf_inst);
switch (param_kind) {
case QkLoopParamKind_NoLoopParam:
printf("%*sNo loop parameter\n", indent, "");
break;
case QkLoopParamKind_Parameter: {
QkSymbolInfo symbol_info = qk_control_flow_loop_symbol_info(cf_inst);
printf("%*sLoop parameter (Symbol): ", indent, "");
if (symbol_info.ty == QkSymbolType_Standalone) {
printf("name='%s'\n", symbol_info.name ? symbol_info.name : "<unnamed>");
} else if (symbol_info.ty == QkSymbolType_Element) {
printf("element index=%zu\n", symbol_info.index);
}
qk_str_free(symbol_info.name);
break;
}
case QkLoopParamKind_Variable: {
const QkVar *var = qk_control_flow_loop_variable(cf_inst);
char *name = qk_var_name(var);
QkExprTypeInfo type_info = qk_var_type_info(var);
printf("%*sLoop parameter (Variable): name='%s', type=%d", indent, "",
name ? name : "<unnamed>", type_info.ty);
if (type_info.ty == QkExprType_Uint) {
printf(" (width=%u)", type_info.width);
}
printf("\n");
if (name != NULL) {
qk_str_free(name);
}
break;
}
}
}
void inspect_switch(const QkControlFlowInstruction *cf_inst, int indent) {
printf("%*sInspecting Switch instruction\n", indent, "");
// Inspect the Switch instruction target
QkConditionType target_type = qk_control_flow_switch_target_type(cf_inst);
printf("%*sTarget type: %d\n", indent, "", target_type);
switch (target_type) {
case QkConditionType_ClBit: {
uint32_t bit = qk_control_flow_switch_target_bit(cf_inst);
printf("%*sTarget bit: %u\n", indent, "", bit);
break;
}
case QkConditionType_ClReg: {
printf("%*sTarget register:\n", indent, "");
const QkClassicalRegister *creg = qk_control_flow_switch_target_register(cf_inst);
inspect_register(creg, indent + 2);
break;
}
case QkConditionType_Expr: {
printf("%*sTarget expression:\n", indent, "");
const QkExprNode *expr = qk_control_flow_switch_target_expr(cf_inst);
inspect_expr(expr, indent + 2);
break;
}
}
// Inspect the Switch instruction cases
size_t num_cases = qk_control_flow_switch_num_cases(cf_inst);
printf("%*sNumber of cases: %zu\n", indent, "", num_cases);
for (size_t case_idx = 0; case_idx < num_cases; case_idx++) {
printf("%*sCase %zu:\n", indent, "", case_idx);
uint64_t bit_width = qk_control_flow_switch_case_labels_bit_width(cf_inst, case_idx);
if (bit_width <= 64) {
QkSwitchCaseLabels labels = qk_control_flow_switch_case_labels_uint(cf_inst, case_idx);
printf("%*sLabels (%zu): [", indent + 2, "", labels.num_labels);
for (size_t label = 0; label < labels.num_labels; label++) {
printf("%lu%s", labels.labels[label], label < labels.num_labels - 1 ? ", " : "");
}
printf("]\n");
if (labels.num_labels > 0) {
qk_control_flow_switch_case_labels_clear(&labels);
}
} else {
printf("%*sLabel width (%lu bits) too large for direct display\n", indent + 2, "",
bit_width);
}
if (qk_control_flow_switch_is_case_default(cf_inst, case_idx)) {
printf("%*sThis is the DEFAULT case\n", indent + 2, "");
}
}
}
void inspect_control_flow_instruction(const QkControlFlowInstruction *cf_inst, int indent) {
QkControlFlowKind cf_type = qk_control_flow_kind(cf_inst);
printf("%*s=== Control Flow: kind - %d ===\n", indent, "", cf_type);
switch (cf_type) {
case QkControlFlowKind_Box:
inspect_box(cf_inst, indent + 2);
break;
case QkControlFlowKind_BreakLoop:
printf("%*sBreak loop instruction\n", indent + 2, "");
break;
case QkControlFlowKind_ContinueLoop:
printf("%*sContinue loop instruction\n", indent + 2, "");
break;
case QkControlFlowKind_ForLoop:
inspect_for_loop(cf_inst, indent + 2);
break;
case QkControlFlowKind_IfElse:
printf("%*sInspecting IfElse instruction\n", indent + 2, "");
inspect_condition(cf_inst, indent + 2);
break;
case QkControlFlowKind_While:
printf("%*sInspecting While instruction\n", indent + 2, "");
inspect_condition(cf_inst, indent + 2);
break;
case QkControlFlowKind_Switch:
inspect_switch(cf_inst, indent + 2);
break;
}
size_t num_blocks = qk_control_flow_num_blocks(cf_inst);
printf("%*sNumber of blocks: %zu\n", indent, "", num_blocks);
for (size_t block = 0; block < num_blocks; block++) {
printf("%*s--- Block %zu ---\n", indent, "", block);
const QkCircuit *block_circuit = qk_control_flow_block_circuit(cf_inst, block);
// Go deeper in the hierarchy
inspect_circuit(block_circuit, cf_inst, indent + 2);
}
}
void inspect_circuit(const QkCircuit *circuit, const QkControlFlowInstruction *parent_cf,
int indent) {
size_t num_instructions = qk_circuit_num_instructions(circuit);
printf("%*sCircuit has %zu instructions\n", indent, "", num_instructions);
for (size_t inst_idx = 0; inst_idx < num_instructions; inst_idx++) {
QkCircuitInstruction inst;
qk_circuit_get_instruction(circuit, inst_idx, &inst);
QkOperationKind kind = qk_circuit_instruction_kind(circuit, inst_idx);
if (kind == QkOperationKind_ControlFlow) {
QkControlFlowInstruction *cf_inst =
qk_circuit_get_control_flow_instruction(circuit, inst_idx, parent_cf);
inspect_control_flow_instruction(cf_inst, indent);
qk_control_flow_instruction_free(cf_inst);
} else {
printf("%*sInstruction %zu: Standard gate/operation\n", indent, "", inst_idx);
// Inspect qubit mapping, if one exists
const uint32_t *qubit_mapping = parent_cf ? qk_control_flow_qubit_map(parent_cf) : NULL;
if (inst.num_qubits > 0) {
printf("%*s Qubits: [", indent, "");
for (uint32_t qubit = 0; qubit < inst.num_qubits; qubit++) {
uint32_t mapped_qubit =
qubit_mapping ? qubit_mapping[inst.qubits[qubit]] : inst.qubits[qubit];
printf("%u%s", mapped_qubit, qubit < inst.num_qubits - 1 ? ", " : "");
}
printf("]\n");
}
// Inspect clbit mapping, if one exists
const uint32_t *clbit_mapping = parent_cf ? qk_control_flow_clbit_map(parent_cf) : NULL;
if (inst.num_clbits > 0) {
printf("%*s Clbits: [", indent, "");
for (uint32_t clbit = 0; clbit < inst.num_clbits; clbit++) {
uint32_t mapped_clbit =
clbit_mapping ? clbit_mapping[inst.clbits[clbit]] : inst.clbits[clbit];
printf("%u%s", mapped_clbit, clbit < inst.num_clbits - 1 ? ", " : "");
}
printf("]\n");
}
}
qk_circuit_instruction_clear(&inst);
}
}C API の関数や型に関する詳細については、「 制御フロー」 および「 古典的式」 のドキュメントページを参照してください。
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