xia1314tong/quantum-circuit-studio
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Quantum Circuit Studio | 量子电路仿真教学平台 (PySide6 + PennyLane)
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README.md
OriginalQuantum 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:
- 打开 Releases,下载
QuantumCircuitStudio-1.0.0-win64.zip - 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。
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