代码演示¶
16 章 × 3 个 = 48 个可运行的 uniqc Python 演示，每个演示独立成页：实现要点、完整源码与运行结果。
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安装：
pip install "unified-quantum[visualization,simulation]"
每个 demo 是一个独立 Python 脚本，使用 unified-quantum PyPI 包（from uniqc import Circuit, submit_task, wait_for_result），通过 dummy:local:simulator 后端本地执行，无需云平台凭证。跑完会输出关键统计到 stdout + 保存 matplotlib PNG 到同名 .png 文件。
模块一：基础与工具（ch01–ch02，6 个 demo）¶
章 |
demo |
核心可视化 |
|---|---|---|
1. Bloch 球轨迹 — 6 个基准态的 ⟨X⟩,⟨Y⟩,⟨Z⟩ 测得 Bloch 矢量画在单位球上 |
球面 6 个箭头 |
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2. |±⟩ 测量概率 — 在 X/Y/Z 基上 P(0)/P(1) 分组柱图 |
4 根/基 柱状 |
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3. Bell 态 — 4 个 Bell 态联合测量直方图 |
4 子图柱状 |
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1. 参数化 RY 扫描 — 扫描 θ 画 ⟨Z⟩ = cos θ 曲线 + 误差标注 |
单图曲线+误差条 |
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2. 参数平移梯度 — 解析 / 平移 / 有限差分梯度对比 |
双图：曲线+误差柱 |
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3. QNN 拟合 sin(x) — 1-qubit re-uploading ansatz 网格搜索最优点 |
双图：MSE 等高线+拟合曲线 |
模块二：算法主线（ch03–ch04，6 个 demo）¶
章 |
demo |
核心可视化 |
|---|---|---|
1. Deutsch-Jozsa — 4-qubit 常数 vs 平衡 Oracle 一次查询 |
双子图柱状 |
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2. Grover 4-qubit — 迭代 0/1/2/4 测量概率演化 |
2×2 子图 |
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3. QFT 振幅相位 — QFT_4|0010⟩ 16 个分量的极坐标散点 |
双图：振幅+相位 |
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1. Shor N=15 — 因子分解 15=3×5 全流程 + 周期读取 |
3 子图（U_7 矩阵、周期轨道、QPE 相位） |
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2. Bernstein-Vazirani — 4-qubit 一次查询读出隐藏 s=1011 |
双子图（测量柱+oracle 示意） |
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3. Simon 算法 — 3-qubit 隐藏 s=110 经典高斯消元恢复 |
3 子图 |
模块三：现代算法体系（ch05–ch08，12 个 demo）¶
章 |
demo |
核心可视化 |
|---|---|---|
1. Trotter Ising 链 — 一阶/二阶 Trotter 误差对数曲线 |
3 子图（H+误差+末态分布） |
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2. 块编码 — 2×2 厄米矩阵 A 的 4-qubit 块编码 U_A 验证 |
3 子图（U_A+A+A/α+测量） |
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3. QSVT sign 近似 — 17 个 x 处 P(0)/P(1) 与 sign(x) 对比 |
3 子图（相位+多项式+测量） |
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1. HHL 2×2 — QPE 提本征相位 + 重建 x = A⁻¹|b⟩ |
单子图 |
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2. Gibbs 态制备 — 4 β 扫描的 P(|00⟩)=1/Z 反推 |
单子图（4 柱对比） |
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3. QAOA 4-node MaxCut — 25×25 (γ,β) 网格扫描 |
2D 热图+最优 cuts |
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1. BB84 QKD — 1000 轮 QBER 与密钥长度对比 |
双子图 |
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2. 态层析 — 3 态 3 基重建 Bloch 矢量 |
3D 球+3 子图 |
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3. 不可克隆 — CNOT 克隆机对 9 态保真度 vs B-H 上界 |
双图：保真度+Bob Bloch 长度 |
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1. VQE H₂ — UCCSD + COBYLA 估 H₂ 基态 ≈ -2.016 Ha |
双子图（收敛+vs FCI） |
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2. QAOA MaxCut 4-node — 14×14 网格+爬山轨迹 |
双图（热图+top bitstring） |
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3. 量子核 SVM — 2-qubit ZZFeatureMap 核矩阵 + 决策边界 |
双图（核矩阵+边界） |
模块四：应用与前沿专题（ch09–ch16，24 个 demo）¶
章 |
demo |
核心可视化 |
|---|---|---|
1. Shor 离散对数 — N=15 离散对数骨架 + QPE 相位 |
双图（轨道+直方图） |
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2. 模幂 U_7 — 16 输入态全测 + QPE |
3 子图 |
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3. CRT 恢复 — Z_3^* + Z_5^* 拆解后合并 |
3 子图（子群轨道+CRT 流程） |
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1. Simon HSP — 3-qubit H^⊥ 样本 + F_2 高斯消元 |
双图（分布+RREF） |
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2. Abel HSP 离散对数 — N=15 拆 p1, p2 + CRT |
双图 |
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3. 隐藏位移 — 7-qubit van Dam 量子算法 + 经典/量子查询数对比 |
双图 |
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1. 碰撞 BHT — N=8 标记命中 + log-log 查询数对比 |
双图 |
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2. 元素唯一性 — toy 数组 + O(N) vs O(N^{2/3}) + Johnson 平衡 |
双图 |
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3. 矩阵秩 — 4×4 高斯消元 + 量子查询复杂度 |
3 子图 |
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1. K3 量子行走 — 4 步位置概率演化 |
双图（轨迹+经典对照） |
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2. Welded Tree — 14 顶点焊缝树 + 经典 vs 量子 P(EXIT) |
2 子图 |
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3. Childs-Goldstone 空间搜索 — C4 + γ=1/√2 + Rabi 振荡 |
3 子图 |
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1. Kitaev 链 — 6-site H 谱 + ⟨Z⟩ 边缘 + (J,K) 能隙 |
3 子图 |
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2. 配分函数 — Z = 1/P(ground) 估 Z(β) |
单子图（4 柱） |
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3. 字符串重写 — 经典步数 vs Grover 迭代 |
双图 |
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1. QAOA K4 MaxCut — 11×11 网格 + 爬山 |
双图（热图+top cuts） |
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2. 凸优化 — FD 经典 vs Jordan 量子梯度 |
2 子图 |
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3. QAOA 投资组合 — 3 资产 Markowitz QUBO |
双图 |
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1. 量子 PCA — 4×4 块编码+QPE 估前 2 特征值 |
单子图 |
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2. 主特征向量 — 经典 power iter + 量子态制备 |
双图 |
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3. 谱和 — Tr(A^k) Hadamard/QPE 估 |
单子图（4 柱对比） |
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1. Shor 破 RSA — 3+3 qubit QPE 估 r=4 + GCD |
单子图 |
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2. Steane 量子译码 — 7-qubit CSS 码 + syndrome 校正 |
单子图 |
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3. Grover 密码破解 — 8-qubit 搜索 P=0b11010110 |
单子图 |
使用方式¶
跑单个 demo¶
# 从仓库根目录
.venv/bin/python3 demos/ch01-basics/01_bloch_sphere.py
# 输出 PNG 到 demos/ch01-basics/01_bloch_sphere.png
# 关键统计到 stdout
跑全章¶
for f in demos/ch01-basics/*.py; do
.venv/bin/python3 "$f"
done
跑全部 48 个¶
for f in demos/ch*/*.py; do
.venv/bin/python3 "$f"
done
技术约定¶
后端：
dummy:local:simulator（无云依赖）shots：默认 2000（多数 demo 总 shots ≤ 3000）
可读性：matplotlib 默认 DejaVu Sans 不带中文，标签统一用英文；中文仅出现在 docstring 与 stdout
公式：LaTeX 用
$\sqrt{N}$等 mathtext 兼容语法（无单参数\sqrt N）代码量：每个 .py < 200 行
已知限制¶
dummy:local:simulator没有真正的中间测量，phase kickback / teleportation 类 demo 只能展示终态分布add_gate('U', matrix=...)不支持；自定义酉只能通过基础门组合 +get_matrix()验证result.get_expectation(...)只支持单 Z 测；多 Pauli 串会抛NotImplementedError大矩阵（如 4×4 以上）的 block-encoding demo 受限，多数用 2×2 / 4×4 + 经典对照