Qiskit 2.0.0 版本深度解析：量子计算框架的重大革新

项目背景与版本概述

Qiskit 是 IBM 开发的开源量子计算框架，为研究人员和开发者提供了构建、分析和运行量子程序的全套工具链。2.0.0 版本是该框架的一次重大更新，标志着 Qiskit 进入了全新的发展阶段。本次更新不仅带来了性能提升和新功能，更重要的是对架构进行了彻底重构，移除了大量遗留代码，为未来的量子计算开发奠定了更坚实的基础。

核心架构变革

1. 后端系统全面升级

2.0.0 版本彻底移除了基于 BackendV1 的旧有后端实现，包括：

• 废弃的 BackendV1 基类及相关模型
• 移除 providers.models 和 qobj 模块
• 淘汰了基于 BackendV1 的分析后端实现

这一变革使 Qiskit 完全转向了更现代的 BackendV2 接口，提供了更简洁、更高效的量子硬件交互方式。开发者现在可以享受更统一的编程体验，而无需处理旧版本中的兼容性问题。

2. 脉冲系统重构

本次更新对脉冲相关功能进行了大规模清理：

• 移除了整个 pulse 模块及其可视化组件
• 删除了 QPY 中的脉冲序列序列化支持
• 淘汰了与脉冲相关的所有 transpiler passes

这一变化反映了 Qiskit 向更高抽象层的转变，鼓励开发者通过门级操作而非直接脉冲控制来构建量子程序，从而简化开发流程。

关键新特性

1. 经典表达式系统增强

引入了强大的经典表达式处理能力：

• 新增对 Float 类型的支持
• 添加了 +、-、*、/ 等运算符
• 支持 const 常量表达式
• 实现了 stretch 变量支持

这些改进使得量子电路中的经典控制逻辑更加灵活和强大，为混合量子-经典算法提供了更好的支持。

2. 稀疏可观测量(SparseObservable)功能扩展

新增了多项与稀疏可观测量相关的功能：

• 实现了稀疏可观测量的演化计算
• 添加了 compose 方法
• 提供了 C API 接口
• 支持与 SparsePauliOp 的相互转换

这些增强使得处理大型量子系统的可观测量的效率显著提升，特别适合复杂量子化学分析等应用场景。

3. 优化编译器与传递系统

编译器系统获得了多项重要改进：

• 新增 Light Cone Transpiler Pass，可优化量子电路的局部性
• 引入 ContractIdleWiresInControlFlow 优化传递
• 改进了 CommutationChecker 的精度，使用平均门保真度
• 为多控制单量子比特门提供了更好的分解方案

这些优化使得生成的量子电路更加高效，减少了实际运行所需的量子门数量。

性能优化与底层改进

1. Rust 集成加速

将 HighLevelSynthesis 传递移植到 Rust 实现，显著提升了高阶量子门合成的性能。这是 Qiskit 逐步采用 Rust 进行性能关键组件重写的重要一步。

2. 并行计算工具重构

对并行计算工具进行了全面重构并公开为正式 API，使得利用多核处理器加速量子分析和编译变得更加容易。

3. 基础设施升级

• 最低支持的 Rust 版本提升至 1.79
• 停止对 32 位 x86 架构的支持
• 将 Linux aarch64 提升为一级支持平台

这些变化反映了现代量子计算开发对硬件资源的需求，同时确保了框架在主流平台上的最佳性能。

开发者体验改进

1. 电路绘制增强

• 默认关闭 idle_wires 显示，使电路图更加简洁
• 统一了绘图参数命名，用 idle_wires 替代 show_idle
• 修复了屏障标签位置问题

2. API 清理与简化

• 移除了 QuantumCircuit 中意外公开的内部方法
• 确保 BlueprintCircuit.copy_empty_like 返回标准 QuantumCircuit
• 简化了 DAGCircuit.control_flow_op_nodes 的返回类型

3. 错误处理与稳定性

• 为病态矩阵计算添加了轻微扰动处理
• 修复了 SabreSwap 传递中的路由排列跟踪问题
• 改进了控制流操作在各类传递中的处理方式

迁移指南与兼容性说明

对于从早期版本升级的用户，需要注意以下重大变更：

1. 所有基于 BackendV1 的代码需要迁移到 BackendV2 接口
2. 脉冲相关功能已被完全移除，需要寻找替代方案
3. 多个已弃用的模块和方法在此版本中被彻底删除
4. 部分默认行为变更，如电路绘制的 idle_wires 设置

建议开发者在升级前全面测试现有代码，并参考官方迁移文档进行必要调整。

未来展望

Qiskit 2.0.0 为框架的未来发展奠定了坚实基础。我们可以预期后续版本将继续沿着以下方向发展：

1. 更深入的 Rust 集成，提升关键组件的性能
2. 增强的混合量子-经典算法支持
3. 更智能的编译器优化
4. 对新兴量子硬件架构的更好支持

这次重大更新使 Qiskit 更加现代化、高效和易用，为量子计算开发者提供了更强大的工具来探索量子计算的无限可能。