Quantum Circuit Studio

量子电路仿真平台 — 用拖拽搭建量子线路，用 PennyLane 精确仿真，把结果、图表和实验报告一次导出。

一款面向教学与自学的桌面量子计算工具：左侧拖入量子门，右侧实时看到状态向量、概率分布与电路指标；不写一行代码就能观察叠加、纠缠与噪声对结果的影响，需要时再把线路导出成可运行的 PennyLane 脚本。

功能特性

可视化搭建

• 1–8 个量子比特，拖拽 H / X / Y / Z / RX / RY / RZ / CNOT 到线路画布
• RX / RY / RZ 旋转角可调，角度与弧度实时换算
• 门可拖动改位、Delete 删除，完整的撤销 / 重做历史

精确仿真

• 基于 PennyLane 状态向量模拟器，给出理论概率与量子态振幅（含相位）
• 可切换有限次测量（shots），按理论概率做多项分布采样，直观对比采样频率与理论值
• 内置噪声模型：BitFlip / PhaseFlip / Depolarizing；开启噪声时自动切换到 default.mixed 密度矩阵模拟器

结果与导出

• 概率分布柱状图（理论 vs 采样）、电路深度、门数量、纠缠熵、总变差距离等指标
• 导出 CSV 数据、图表 PNG、Markdown 实验报告、可直接运行的 PennyLane 代码
• 电路与实验配置保存 / 加载为 JSON，便于复现与分享

量子算法

• Grover 搜索、Deutsch–Jozsa、量子隐形传态、量子傅里叶变换
• 每种算法给出数学推导、线路步骤、逐轮数值验证与代码导出

量子态演化演示

• 逐步展示单比特到多比特态的演化过程，配合布洛赫球与概率图讲解

AI 助手（可选）

• 用自然语言描述需求，生成可校验的电路 JSON 并载入画布
• 解释当前电路的行为，或生成实验报告
• 未配置 API Key 时其余功能完全可用

下载即用（Windows）

不想装 Python 的话，用打包好的版本：

1. 打开 Releases，下载 QuantumCircuitStudio-1.0.0-win64.zip
2. 解压到任意目录，双击 量子电路仿真平台.exe

免安装、免配置。AI 助手需要自己的 DeepSeek API Key，把 deepseek_config.json 放到 exe 同级目录即可（格式见 deepseek_config.example.json）；不配置也不影响仿真、导出与算法实验室。

打包版为 Windows x64；macOS / Linux 请从源码运行。

从源码运行

环境要求

• Python 3.10+（开发与验证使用 3.10.11）
• Windows 10/11；依赖均为纯 Python 包，macOS / Linux 亦可运行

安装与运行

git clone https://github.com/xia1314tong/quantum-circuit-studio.git
cd quantum-circuit-studio
python -m pip install -r requirements.txt
python main.py

配置 AI 助手（可选）

cp deepseek_config.example.json deepseek_config.json

在 deepseek_config.json 中填入自己的 API Key：

{
  "api_key": "sk-your-key",
  "model": "deepseek-flash"
}

也可以用环境变量 DEEPSEEK_API_KEY 提供 Key，此时以配置文件为准。

使用提示

操作	方式
添加量子门	从左侧工具箱拖到线路画布
移动 / 删除	拖动已有门；选中后按 Delete
撤销 / 重做	Ctrl+Z / Ctrl+Y（或 Ctrl+Shift+Z）
载入示例	点击「Bell 态示例」

流程：拖出 H + CNOT → 运行仿真 → 观察 |00⟩ 与 |11⟩ 各占 50% → 导出报告或 PennyLane 代码。

教学判据

对 H(q0) + CNOT(q0, qi) 构成的 GHZ 族，在门级比特翻转噪声下，含噪分布与理想分布的总变差距离（TVD） 有闭式解，可在 O(n) 时间内算出。给定「TVD 不超过 10%」的口径，就能反解出每个比特数对应的噪声上限 p*(n)：

n	2	3	4	5	6	7	8
p*(n)	0.053	0.026	0.018	0.013	0.011	0.009	0.008

实现见 quantum_circuit_studio/thresholds.py，对应测试在 tests/test_thresholds.py 与 tests/test_gui.py。 开启噪声仿真后，分析面板会多出一行提示：当前比特数对应的 p*(n)、以及当前噪声是否已越过 10% 偏差边界。

实验代码

experiments/ 是本项目做定量验证用的脚本：噪声容限判据、误差缓解对照、以及 LLM 生成电路的三臂对照实验。运行 python -m experiments.reproduce 会把 CSV 结果与图重新生成到 experiments/results/ 和 experiments/figures/。

项目结构

quantum-circuit-studio/
├── main.py                          # 程序入口：QApplication、图标、全局样式
├── quantum_circuit_studio/
│   ├── common.py                    # 常量、资源路径、图标辅助函数
│   ├── engine.py                    # 纯计算层：仿真、指标、采样（不依赖 Qt）
│   ├── thresholds.py                # 教学容限判据 p*(n)（纯 Python，无额外依赖）
│   ├── widgets.py                   # 量子门工具箱、线路画布、AI 请求线程
│   ├── main_window.py               # 主窗口：Mixin 组合与配置加载
│   ├── algorithm_lab.py             # 量子算法（Grover / DJ / 传态 / QFT）
│   ├── quantum_demo.py              # 量子态演化教学演示
│   └── mixins/
│       ├── ui.py                    # 界面布局、控件与事件
│       ├── circuit.py               # 电路校验、清空、示例载入
│       ├── simulation.py            # 仿真结果渲染（计算已下沉到 engine.py）
│       ├── assistant.py             # AI 助手对话与代码生成
│       ├── exports.py               # CSV / 图片 / 报告 / 配置导入导出
│       └── history.py               # 撤销重做栈与快捷键
├── experiments/                     # 判据 / 缓解 / LLM 生成可靠性的实验脚本与结果
├── tests/                           # pytest：计算层 / 判据 / 算法 / 界面
├── docs/                            # 界面截图
├── requirements.txt
├── requirements-dev.txt
└── deepseek_config.example.json

主窗口采用 组合 + Mixin 的分层方式：MainWindow 只负责组合与初始化，具体能力（界面、电路、仿真、导出、助手、历史）各自独立成模块，便于单独阅读和替换。计算逻辑集中在 engine.py。

技术说明

• 仿真：PennyLane default.qubit（理想）与 default.mixed（含噪声）
• 数值：状态向量 / 密度矩阵直接计算，指标由 Python 与 NumPy 实现
• 界面：PySide6，自定义 QSS 主题
• 算法实验室的有限采样由理论概率做多项分布抽样得到，属于教学演示，不追求硬件级噪声建模

许可证

本项目基于 MIT License 开源。