mcpField
Q
qutip

qutip

github.com/davila7其他33.0k237 次安装今天更新
代码仓库

关于 qutip

QuTiP 是用于模拟和分析量子力学系统的 Python 工具箱,面向研究量子动力学的研究人员和开发者。它支持封闭系统与开放系统,并提供适用于幺正演化、耗散、轨迹及专门方法的求解器。

主要功能

  1. 01创建和操作量子态与算符
  2. 02模拟封闭及开放系统动力学
  3. 03提供多种演化与轨迹求解器
  4. 04计算期望值和纠缠指标
  5. 05可视化量子态与动力学
  6. 06应用 Floquet 和 HEOM 方法

适用场景

  1. 01建模含耗散的量子系统
  2. 02模拟量子比特纠缠动力学
  3. 03使用 Floquet 方法研究驱动系统
  4. 04可视化量子态和相空间函数

安装

复制下面的命令,在终端中运行。

$npx skills add https://github.com/davila7/claude-code-templates --skill qutip

安装后在 Claude Code 中输入/qutip确认已加载。

包含的文件

除 SKILL.md 外,安装时一起下载的参考资料和脚本。

references/
advanced.md
analysis.md
core_concepts.md
time_evolution.md
visualization.md

详细介绍

QuTiP:Python 量子工具箱

概述

QuTiP 提供了用于模拟和分析量子力学系统的综合工具。它支持封闭(幺正)和开放(耗散)量子系统,并提供针对不同场景优化的多种求解器。

安装

uv pip install qutip

用于扩展功能的可选程序包:

# Quantum information processing (circuits, gates)
uv pip install qutip-qip

# Quantum trajectory viewer
uv pip install qutip-qtrl

快速入门

from qutip import *
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

# Create quantum state
psi = basis(2, 0)  # |0⟩ state

# Create operator
H = sigmaz()  # Hamiltonian

# Time evolution
tlist = np.linspace(0, 10, 100)
result = sesolve(H, psi, tlist, e_ops=[sigmaz()])

# Plot results
plt.plot(tlist, result.expect[0])
plt.xlabel('Time')
plt.ylabel('⟨σz⟩')
plt.show()

核心功能

1. 量子对象和状态

创建和操作量子状态与算符:

# States
psi = basis(N, n)  # Fock state |n⟩
psi = coherent(N, alpha)  # Coherent state |α⟩
rho = thermal_dm(N, n_avg)  # Thermal density matrix

# Operators
a = destroy(N)  # Annihilation operator
H = num(N)  # Number operator
sx, sy, sz = sigmax(), sigmay(), sigmaz()  # Pauli matrices

# Composite systems
psi_AB = tensor(psi_A, psi_B)  # Tensor product

参见 references/core_concepts.md,了解量子对象、状态、算符和张量积的全面介绍。

2. 时间演化和动力学

针对不同场景的多种求解器:

# Closed systems (unitary evolution)
result = sesolve(H, psi0, tlist, e_ops=[num(N)])

# Open systems (dissipation)
c_ops = [np.sqrt(0.1) * destroy(N)]  # Collapse operators
result = mesolve(H, psi0, tlist, c_ops, e_ops=[num(N)])

# Quantum trajectories (Monte Carlo)
result = mcsolve(H, psi0, tlist, c_ops, ntraj=500, e_ops=[num(N)])

求解器选择指南:

  • sesolve:纯态、幺正演化
  • mesolve:混合态、耗散、一般开放系统
  • mcsolve:量子跃迁、光子计数、单条轨迹
  • brmesolve:弱系统-热浴耦合
  • fmmesolve:时间周期哈密顿量(Floquet)

参见 references/time_evolution.md,了解求解器的详细文档、含时哈密顿量和高级选项。

3. 分析和测量

计算物理量:

# Expectation values
n_avg = expect(num(N), psi)

# Entropy measures
S = entropy_vn(rho)  # Von Neumann entropy
C = concurrence(rho)  # Entanglement (two qubits)

# Fidelity and distance
F = fidelity(psi1, psi2)
D = tracedist(rho1, rho2)

# Correlation functions
corr = correlation_2op_1t(H, rho0, taulist, c_ops, A, B)
w, S = spectrum_correlation_fft(taulist, corr)

# Steady states
rho_ss = steadystate(H, c_ops)

参见 references/analysis.md,了解熵、保真度、测量、关联函数和稳态计算。

4. 可视化

将量子状态和动力学可视化:

# Bloch sphere
b = Bloch()
b.add_states(psi)
b.show()

# Wigner function (phase space)
xvec = np.linspace(-5, 5, 200)
W = wigner(psi, xvec, xvec)
plt.contourf(xvec, xvec, W, 100, cmap='RdBu')

# Fock distribution
plot_fock_distribution(psi)

# Matrix visualization
hinton(rho)  # Hinton diagram
matrix_histogram(H.full())  # 3D bars

参见 references/visualization.md,了解布洛赫球动画、Wigner 函数、Q 函数和矩阵可视化。

5. 高级方法

适用于复杂场景的专用技术:

# Floquet theory (periodic Hamiltonians)
T = 2 * np.pi / w_drive
f_modes, f_energies = floquet_modes(H, T, args)
result = fmmesolve(H, psi0, tlist, c_ops, T=T, args=args)

# HEOM (non-Markovian, strong coupling)
from qutip.nonmarkov.heom import HEOMSolver, BosonicBath
bath = BosonicBath(Q, ck_real, vk_real)
hsolver = HEOMSolver(H_sys, [bath], max_depth=5)
result = hsolver.run(rho0, tlist)

# Permutational invariance (identical particles)
psi = dicke(N, j, m)  # Dicke states
Jz = jspin(N, 'z')  # Collective operators

参见 references/advanced.md,了解 Floquet 理论、HEOM、置换不变性、随机求解器、超算符和性能优化。

常见工作流

模拟阻尼谐振子
# System parameters
N = 20  # Hilbert space dimension
omega = 1.0  # Oscillator frequency
kappa = 0.1  # Decay rate

# Hamiltonian and collapse operators
H = omega * num(N)
c_ops = [np.sqrt(kappa) * destroy(N)]

# Initial state
psi0 = coherent(N, 3.0)

# Time evolution
tlist = np.linspace(0, 50, 200)
result = mesolve(H, psi0, tlist, c_ops, e_ops=[num(N)])

# Visualize
plt.plot(tlist, result.expect[0])
plt.xlabel('Time')
plt.ylabel('⟨n⟩')
plt.title('Photon Number Decay')
plt.show()
双量子比特纠缠动力学
# Create Bell state
psi0 = bell_state('00')

# Local dephasing on each qubit
gamma = 0.1
c_ops = [
    np.sqrt(gamma) * tensor(sigmaz(), qeye(2)),
    np.sqrt(gamma) * tensor(qeye(2), sigmaz())
]

# Track entanglement
def compute_concurrence(t, psi):
    rho = ket2dm(psi) if psi.isket else psi
    return concurrence(rho)

tlist = np.linspace(0, 10, 100)
result = mesolve(qeye([2, 2]), psi0, tlist, c_ops)

# Compute concurrence for each state
C_t = [concurrence(state.proj()) for state in result.states]

plt.plot(tlist, C_t)
plt.xlabel('Time')
plt.ylabel('Concurrence')
plt.title('Entanglement Decay')
plt.show()
Jaynes-Cummings 模型
# System parameters
N = 10  # Cavity Fock space
wc = 1.0  # Cavity frequency
wa = 1.0  # Atom frequency
g = 0.05  # Coupling strength

# Operators
a = tensor(destroy(N), qeye(2))  # Cavity
sm = tensor(qeye(N), sigmam())  # Atom

# Hamiltonian (RWA)
H = wc * a.dag() * a + wa * sm.dag() * sm + g * (a.dag() * sm + a * sm.dag())

# Initial state: cavity in coherent state, atom in ground state
psi0 = tensor(coherent(N, 2), basis(2, 0))

# Dissipation
kappa = 0.1  # Cavity decay
gamma = 0.05  # Atomic decay
c_ops = [np.sqrt(kappa) * a, np.sqrt(gamma) * sm]

# Observables
n_cav = a.dag() * a
n_atom = sm.dag() * sm

# Evolve
tlist = np.linspace(0, 50, 200)
result = mesolve(H, psi0, tlist, c_ops, e_ops=[n_cav, n_atom])

# Plot
fig, axes = plt.subplots(2, 1, figsize=(8, 6), sharex=True)
axes[0].plot(tlist, result.expect[0])
axes[0].set_ylabel('⟨n_cavity⟩')
axes[1].plot(tlist, result.expect[1])
axes[1].set_ylabel('⟨n_atom⟩')
axes[1].set_xlabel('Time')
plt.tight_layout()
plt.show()

高效模拟技巧

  1. 截断希尔伯特空间:使用能够描述动力学的最小维度
  2. 选择合适的求解器:对纯态而言,sesolve 比 mesolve 更快
  3. 含时项:字符串格式(例如 'cos(w*t)')速度最快
  4. 仅存储所需数据:使用 e_ops,而非存储所有状态
  5. 调整容差:通过 Options 平衡精度和计算时间
  6. 并行轨迹:mcsolve 会自动使用多个 CPU
  7. 检查收敛性:调整 ntraj、希尔伯特空间大小和容差

故障排除

内存问题:减小希尔伯特空间维度,使用 store_final_state 选项,或考虑采用 Krylov 方法

模拟速度慢:使用基于字符串的含时表达式,稍微增大容差,或对刚性问题尝试 method='bdf'

数值不稳定:减小时间步长(nsteps 选项),增大容差,或检查哈密顿量和算符的定义是否正确

导入错误:确保 QuTiP 已正确安装;量子门需要 qutip-qip 程序包

参考文档

此技能包含详细的参考文档:

  • references/core_concepts.md:量子对象、状态、算符、张量积、复合系统
  • references/time_evolution.md:所有求解器(sesolve、mesolve、mcsolve、brmesolve 等)、含时哈密顿量、求解器选项
  • references/visualization.md:布洛赫球、Wigner 函数、Q 函数、Fock 分布、矩阵图
  • references/analysis.md:期望值、熵、保真度、纠缠度量、关联函数、稳态
  • references/advanced.md:Floquet 理论、HEOM、置换不变性、随机方法、超算符、性能技巧

外部资源

评论

支持 Markdown