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# Python 版 wai-quantum

> 本文为机器辅助翻译，尚待熟练的读者审校。英文原文：[README.md](README.md)。

在 Python 和笔记本中以进程内方式使用 WAI Quantum。这个包内含 WAI Quantum 作业引擎（Rust crate `wai-quantum` 的 `engine`，通过一个 pyo3 扩展模块提供），因此在这里规划、运行并封存的作业，与 `wai-quantum` 命令行、作业服务、MCP 服务器、Studio 和桌面应用给出相同的计划、相同的结果和相同的回执。

- **引擎**：`run`、`plan`、`lint`、`draw`（文本和 SVG）、`layout`、`critique`、`improve`、`shortcuts`、`equivalent`、`verify`、`seal`、`canonical`、`digest`、`methods`、`accuracy_classes`、`bloch`、`history`、`estimate` 和 `verify_estimate`。
- **回执**：每个结果都用你传入的密钥（`wai_quantum.Key`）封存；任何回执（无论是在这里、由命令行、由作业服务还是在浏览器标签页中生成的）都可以在这里离线检查。
- **作业服务**：`wai_quantum.Service`，一个只用标准库实现的客户端，用于 `https://wai.transaction.science/quantum-jobs/v1`。
- **笔记本小组件**：`Circuit`、`Result`、`Receipt` 和 `Bloch`，附有可在任何笔记本中渲染的静态 HTML 和 SVG 后备显示。

## 安装

从 Python 包索引安装。每个平台一个 wheel，适用于 3.9 及以后的所有 Python 版本（稳定 ABI，`abi3`）：macOS arm64 和 x86_64、Linux x86_64 和 arm64（manylinux 2.17）、Windows x86_64。

```sh norun=install
pip install wai-quantum              # 引擎和作业服务客户端：没有其他依赖
pip install "wai-quantum[widgets]"   # 另加笔记本小组件（anywidget）
```

同样的 wheel 也附在代码托管平台（forge）上包含它们的 `wai-quantum-cli-v<version>` 发布版中，每个都附有 SHA-256：

```sh norun=install
pip install wai_quantum-0.1.4-cp39-abi3-<platform>.whl
```

要自己构建 wheel，需要 Rust 1.98 和 maturin 1.15.0：

```sh norun=install
cd wai/wai-quantum-py
maturin build --release --locked -o dist
pip install dist/wai_quantum-*.whl
```

## 使用

```python runnable
import wai_quantum as wq

bell = "OPENQASM 3.0; qubit[2] q; bit[2] c; h q[0]; cx q[0], q[1]; c = measure q;"
key = wq.Key.generate()            # 或 Key.from_file(...)、Key.demo()；默认使用这个用户的密钥
job = wq.run(bell, shots=1000, key=key)

job.method, job.accuracy           # ('stabilizer', 'exact')
job.counts                         # {'00': 522, '11': 478}
job.probabilities()                # 每个计数除以测量次数：采样得到的频率
wq.verify(job).valid               # True：回执封存了这个请求和这个结果
```

作业就是作业服务所用的形式，表示为一个普通的 `dict`（`status`、`method`、`why`、`estimate`、`request`，以及带有 `receipt` 的 `result`），因此 `json.dumps(job)` 写出的就是作业服务会发送的内容。它的辅助方法读取最常用的部分：`counts`、`shots`、`probabilities()`、`expectations`、`amplitudes`、`method`、`accuracy`、`receipt`、`verify()`。

`run` 接受 OpenQASM 3（或 2）文本、此类文件的路径或一个作业 dict，并以关键字参数接受作业的各字段：`shots`、`seed`、`method`（默认为 `auto`）、`observables`（`"Z0 Z1"` 或 `{"pauli": "X3 Y4", "coeff": 0.5}`）、`amplitudes`（比特串，量子比特 n − 1 在前）、`noise`（`depolarizing_1q`、`depolarizing_2q`、`amplitude_damping`、`dephasing`、`readout`）以及 `options`（因方法而异；`wq.methods()` 会列出它们）。`memory_gb`（16，即命令行的默认值）限定作业在这里可以占用的内存，因此作业在两者上会规划到同一种方法。

```python runnable
src = "OPENQASM 3.0; qubit[2] q; h q[0]; t q[0]; t q[0]; cx q[0], q[1];"
a, b = "qubit[1] q; h q[0]; x q[0]; h q[0];", "qubit[1] q; z q[0];"
job = wq.run(bell, shots=100, intent={"distribution": {"00": 0.5, "11": 0.5}}, key=key)
job.verdict["level"], job.verdict["holds"]      # ('proof', True)：引擎检查到了哪一级，已封存
job.verdict["layer"], job.verdict["limits"]     # 由什么判定（'exact_simulation'），以及它不能说明什么
wq.verify(job).answer["again"]                   # 'reproduced'：已封存的裁定在此处重新得出
wq.verdict(job, {"distribution": {"00": 1.0}})  # 另一个意图，在这里得出：注明未经封存
wq.signoff(job, {"outcomes": ["00", "11"]}, key=key).verdict["holds"]  # 为已封存的作业签核：其摘要、意图和裁定封存于同一回执之下
fair = {"distribution": {"00": 0.5, "11": 0.5}}
wq.check(bell, fair)["next"]                    # 签核循环：每个用例由最强的层判定，并说明下一步；不封存任何内容
g = wq.grade(bell, {"title": "A Bell pair", "intent": fair}, key=key)   # 评分作为作业封存，任何人都可以重新运行
wq.verify(g).answer["again"]                    # 'reproduced'：评分在这里重新得出
wq.attest(job, {"outcomes": ["00", "11"]}, key=key)["attested"]["held_to"]   # 作业先像 verify 那样核验，然后签核
wq.repair("OPENQASM 3.0;\nqubit[1] q\nh q[0];\n")   # 对被标出的行的修正，以及需要人来处理的部分
wq.plan(bell)                                   # 方法及其原因，不运行
wq.lint("qubit[1] q;\nfoo q[0];")               # {'ok': False, 'error': 'line 2: unknown gate foo', 'line': 2}
print(wq.draw(bell))                            # 文本线路图，与 `wai-quantum draw` 打印的相同
svg = wq.draw(bell, format="svg")               # Studio 中的图，作为一个 SVG 文档
wq.critique(src); wq.improve(src)               # 度量与问题模式；经证明等价的变体
wq.equivalent(a, b)                             # {'verdict': 'equivalent', 'how': 'tableau', 'why': ...}
wq.bloch("OPENQASM 3.0; qubit[1] q; ry(0.3) q[0];", key=key)   # 每个量子比特的约化态，来自引擎
e = wq.estimate(src, qubit="ns-e4", budget=1e-3, key=key)     # 容错量子计算机需要什么，每个估算都已封存
wq.verify_estimate(e)                           # 封存签名、每一份回执，以及在这里重新运行的请求
wq.estimate(counts={"numQubits": 100, "cczCount": 5000})      # 或者一份逻辑计数（或 routine=）文档
```

`estimate` 给出程序的逻辑计数（逻辑量子比特，包括多控制门所需的辅助量子比特；测量；T 门；Toffoli 门；旋转门及其合成所得门序列中的 T 门；T 深度和深度）、错误预算中分给合成的份额及每个旋转门所占的部分、根据引擎自己的解码器对码模型所做的校准、在该物理量子比特上的估算，以及物理量子比特数与运行时间之间的前沿，每个估算都在资源估算回执族中封存。`export="counts"` 或 `"routine"` 会把计数另外作为一份文档给出。每个数字的含义和假设，见[估算页面](../wai-quantum/docs/estimate.md)。

```python runnable
c = wq.qec_code("color:7", key=key)            # 它的校验、k、可用的解码器，以及经过认证的距离
wq.qec_code("color:7", certificate=c)          # 重新运行证书的见证和搜索
wq.qec_decode("surface:5", error=[3, 12])      # 解码其校验子，并判定残差
wq.qec_decode(memory=(5, 5, 0.003), shots=20000, decoder="correlated")   # 线路层面的失败率
wq.qec_threshold(distances=[3, 5, 7], p=[0.002, 0.004], shots=20000)      # 失败率及其误差
job = wq.run(src, observables=["Z0 Z1"], noise={"depolarizing_2q": 0.02}, mitigate="zne", key=key)
job["result"]["mitigation"]                     # 每个值的原始值和缓解后的值及其误差棒，以及该方法的假设
```

`qec_code`、`qec_decode` 和 `qec_threshold` 是引擎的纠错功能，与命令行的 `wai-quantum qec` 以及两个 MCP 服务器的 `qec_*` 工具给出的回答相同，每个回答都以作业的形式封存（`wq.verify` 检查它）。距离证书在每个扇区中给出找到的逻辑算符的最小权重、该权重的一个见证，以及经穷举搜索排除的每个更轻的支撑；被 `bound` 截止的搜索对其之外的情况不作结论。每个解码器保证什么，以及每种缓解方法的偏差和方差，见[纠错页面](../wai-quantum/docs/qec.md)。

### 密钥与回执

`Key.demo()` 是公开的演示密钥（即命令行的 `--demo-key`）：用它签名的回执在任何地方都逐字节重现，只能证明结果未被篡改。`Key.generate()` 生成一个密钥；`key.save(path)` 以命令行所用的格式（64 位十六进制数字）把它写出，且仅其所有者可读，因此 `wai-quantum run --key path` 会用同一个密钥签名。未给出密钥时，`run` 用这个用户的密钥签名，也就是命令行自己用的那个（`$WAI_QUANTUM_KEY`，否则为 `$XDG_CONFIG_HOME/wai/quantum-key` 或 `~/.config/wai/quantum-key`，在 Unix 类 shell 之外的 Windows 上为 `%APPDATA%\wai\quantum-key`，首次使用时生成）。

回执是对请求和结果的 RFC 8785 规范化 JSON 所求 BLAKE3 摘要的 Ed25519 签名。`wq.canonical(value)` 给出这些字节，`wq.digest(request, result)` 给出摘要；`wq.seal(request, result, key=...)` 可封存任何结果。拒绝会引发 `wq.EngineError`，附带引擎自身的消息、消息指明了行号时的 `line`，以及其 `code`：读取器的（`Q103`）或作业层的（`J011`），与消息末尾所附的相同。对于改动了没有任何诊断标出的行的建议，`wq.repair(program, proposed=...)` 会引发一个带 `J021` 的此类错误。[判定页面](../wai-quantum/docs/verdicts.md)列出了各个级别和规则。

### 作业服务

```python runnable
svc = wq.Service()                  # $WAI_QUANTUM_SERVICE，或 https://wai.transaction.science/quantum-jobs/v1
job = svc.run(bell, shots=1000)     # 提交并等待
rec = svc.submit(bell, shots=1000)  # 或者：先提交，再 status / result / cancel
job = svc.result(rec["id"])
svc.verify(job)                     # 在这里离线检查；把它的密钥与 svc.describe()["receipt_key"] 对比
```

客户端使用 `urllib`，并在每个请求的 `User-Agent` 中自称 `wai-quantum-python/<version>`：作业服务的边缘节点会拒绝带有通用库默认用户代理的请求。拒绝、失败或被取消的作业，或无法连通的作业服务，都会引发 `wq.ServiceError`，附带 HTTP `status` 和作业服务的原话。

### 笔记本

```python runnable
h = wq.history("start", {"source": src, "by": {"kind": "person"}, "at": 1}, key=key)["history"]
program = "OPENQASM 3.0; qubit[2] q; ry(0.3) q[0]; h q[1];"
wq.Circuit(bell)                          # 引擎的线路图；点击一个门：.selected 就是它的操作
wq.Circuit(src, history=h)                # 每个门都标出出自谁之手（wq.history）
wq.Result(job)                            # 以条形（或频率）显示的计数、方法、精度类别、回执的检查结果
wq.Receipt(job)                           # 签名者、摘要，以及引擎在这里计算出的 verified / INVALID 徽章
wq.Bloch(program, key=key)                # 每个量子比特的 Bloch 矢量；拖动可旋转视角
```

每个小组件的前端都是一个小巧的普通 ES 模块（`python/wai_quantum/static/`）。若未安装 `widgets` 附加依赖，或前端没有小组件扩展，每个小组件都渲染为静态 HTML（`Circuit` 渲染为 SVG）；`Job` 显示为其结果的卡片。每个小组件只显示引擎给出的内容，自己不计算任何东西：它的 `data` 就是引擎的回答。

`notebooks/` 中的文档笔记本在 CI 中运行，并须与其存储的输出一致：`getting-started`、`bell-receipt`（一个 Bell 对及其回执）、`equivalence`、`noisy-run`，以及 `service-job`（在为这次运行而启动的作业服务上执行的作业；没有这样的服务时，它的单元格会跳过）。

## 测试

`ci/check.sh` 就是完整的检查，与 CI 的运行方式相同（`.github/workflows/wai-quantum-py.yml`，在 `linux` 和 `macos` 上）：它从这份检出构建命令行和作业服务，用 maturin 构建 wheel，在一个全新的 venv 中用固定版本并附哈希的测试依赖（`tests/requirements.lock`）安装该 wheel，运行 pytest 并要求每个测试都执行，针对本地作业服务运行各笔记本，并在 Python 3.9 上只用该 wheel 运行 `tests/smoke.py`。这些测试要求这个包与其他入口保持一致：在这里运行的作业与命令行和作业服务的作业相同（各主机的时间及其关于能耗的说明除外），在这里封存的回执能通过 `wai-quantum verify` 验证，命令行的回执也能在这里验证，两者用同一个用户密钥签名，而小组件的前端会在 node 下以这个包构建的数据运行。

能耗：在这里的运行不计量；其结果会注明这一点（`energy.unmetered`），与命令行和浏览器标签页中的运行一样。作业服务会为每个作业的 worker 计量。

许可证：Apache-2.0。