【创新应用】SU(2) color-chain quantum simulation tutorial

SU2ColorChainTutorial/.gitignore

@@ -0,0 +1,7 @@
+__pycache__/
+.pytest_cache/
+.venv/
+*.pyc
+*.pyo
+outputs*/
+Tutorials/SU2ColorChainTutorial/outputs*/

SU2ColorChainTutorial/README.md

@@ -0,0 +1,214 @@
+# SU(2) Color-Chain Quantum Simulation Tutorial
+
+## 项目简介
+
+本项目是一个面向量子算法创新应用的 SU(2) 对称量子多体模拟示例。项目使用小规模 color-chain toy Hamiltonian，展示 SU(2) singlet 态制备、singlet/triplet sector 能谱分析、局域 color-singlet quench 以及左右 probe sites 的 connected color correlation。
+
+该示例默认使用 4 到 8 个 qubit，可在本地完成精确对角化扫描、图表生成和基础线路导出；同时提供 pyQPanda CPUQVM 示例，便于学习和迁移到 pyQPanda 生态。
+
+本项目定位为一个自包含教程型贡献：NumPy 精确对角化部分提供可复现实验参考量，pyQPanda CPUQVM 脚本展示对应的 singlet 态制备与局域 probe 线路构造方式。
+
+## 任务类型
+
+```text
+【创新应用】SU(2) color-chain quantum simulation tutorial
+```
+
+## 主要功能
+
+- 构造 SU(2)-scalar color interaction：$S_i \cdot S_j$。
+- 扫描 dimerization 参数下的低能谱结构。
+- 计算 total spin sector，用于区分 singlet 与 triplet 能级。
+- 对中心 bond 施加 color-singlet local quench。
+- 计算 quench energy injection 与 low-energy spectral weights。
+- 计算左右 probe sites 的 connected color correlation。
+- 导出 singlet-pair state preparation 与 color-quench probe 的 OpenQASM 原型。
+- 提供 pyQPanda CPUQVM 示例脚本。
+
+## 目录结构
+
+```text
+SU2ColorChainTutorial/
+├── README.md
+├── SUBMISSION_CHECKLIST.md
+├── contest_pitch.txt
+├── requirements.txt
+├── requirements-pyqpanda.txt
+├── run_demo.py
+├── make_plots.py
+├── pyqpanda_demo.py
+├── src/su2_toy/
+├── tests/test_su2_toy.py
+└── Tutorials/SU2ColorChainTutorial/
+    ├── README.md
+    ├── DERIVATION.md
+    ├── CONTRIBUTION_NOTE.md
+    ├── PR_DESCRIPTION.md
+    ├── run_tutorial.py
+    ├── make_tutorial_plots.py
+    └── pyqpanda_cpuqvm_example.py
+```
+
+## 安装依赖
+
+基础数值教程依赖：
+
+```bash
+pip install -r requirements.txt
+```
+
+```text
+numpy
+matplotlib
+```
+
+如需运行 pyQPanda CPUQVM 示例，再安装可选依赖：
+
+```bash
+pip install -r requirements-pyqpanda.txt
+```
+
+## 赛事指定工具使用说明
+
+本项目使用 pyQPanda CPUQVM 构造并运行 singlet-pair preparation 与 central color-quench probe 线路。NumPy 精确对角化部分用于生成参考观测量，帮助解释和验证量子线路示例的物理含义；pyQPanda CPUQVM 部分用于展示可执行的量子编程入口；OpenQASM 导出用于连接线路原型与后续模拟器或硬件迁移。
+
+因此，本项目的设计关系为：
+
+```text
+NumPy exact diagonalization -> reference observables
+OpenQASM export             -> portable circuit prototype
+pyQPanda CPUQVM             -> executable circuit realization
+```
+
+## 运行示例
+
+### 1. 运行 SU(2) 扫描
+
+```bash
+python run_demo.py --num-qubits 6 --points 17 --out outputs_su2_n6
+```
+
+示例终端输出如下：
+
+```text
+SU(2) color-chain quantum simulation 完成
+输出目录：outputs_su2_n6
+singlet-triplet gap 最小窗口：delta = -0.750000
+correlation slope 诊断窗口：delta = -0.562500
+fidelity dip 诊断窗口：delta = -0.187500
+probe-site color correlation = -0.073882
+```
+
+### 2. 生成图表
+
+```bash
+python make_plots.py --input outputs_su2_n6/summary.json --out outputs_su2_n6/figures
+```
+
+### 3. 运行 tutorial 入口
+
+```bash
+python Tutorials/SU2ColorChainTutorial/run_tutorial.py --num-qubits 6 --points 17
+python Tutorials/SU2ColorChainTutorial/make_tutorial_plots.py
+```
+
+### 4. 运行 pyQPanda CPUQVM 示例
+
+```bash
+python pyqpanda_demo.py --num-qubits 6 --shots 1000
+```
+
+或：
+
+```bash
+python Tutorials/SU2ColorChainTutorial/pyqpanda_cpuqvm_example.py --num-qubits 6 --shots 1000
+```
+
+运行后会输出 bitstring counts，并保存为 JSON 文件。示例终端输出如下：
+
+```text
+pyQPanda CPUQVM SU(2) singlet-pair demo 完成
+输出文件：outputs_pyqpanda/counts.json
+非零 bitstring 数：...
+```
+
+## 输出文件
+
+运行扫描后会生成：
+
+```text
+su2_spectrum_scan.csv
+summary.json
+singlet_triplet_gap_chart.txt
+correlation_slope_chart.txt
+fidelity_loss_chart.txt
+state_prep_singlet_pairs.qasm
+color_quench_probe.qasm
+```
+
+运行画图脚本后会生成：
+
+```text
+singlet_triplet_gap.png
+probe_color_correlation.png
+fidelity_loss.png
+quench_delta_energy.png
+summary_panels.png
+```
+
+图表含义：
+
+- `singlet_triplet_gap.png`：展示最低 singlet 与 triplet sector 的能量差随参数变化的趋势。
+- `probe_color_correlation.png`：展示左右 probe sites 的 connected color correlation。
+- `fidelity_loss.png`：展示相邻参数点之间 ground-state overlap 的变化。
+- `quench_delta_energy.png`：展示 central color-singlet quench 后的能量注入。
+- `summary_panels.png`：汇总主要诊断量，便于快速检查教程输出。
+
+## 数值诊断量与线路对应关系
+
+数值扫描用于生成参考观测量，pyQPanda / OpenQASM 部分用于展示可迁移的线路构造入口。
+
+| 数值或线路对象 | 物理含义 | 主要输出文件 | pyQPanda / OpenQASM 对应关系 |
+|---|---|---|---|
+| singlet-pair state preparation | SU(2) singlet 初态构造 | `state_prep_singlet_pairs.qasm` | pyQPanda 示例中的 pair preparation 线路 |
+| singlet/triplet sector energies | sector-resolved spectroscopy | `su2_spectrum_scan.csv`, `singlet_triplet_gap_chart.txt` | 作为后续 VQE 或谱测量线路的 reference observable |
+| central color-singlet quench energy injection | 中心 bond 上的 SU(2)-scalar 局域扰动响应 | `summary.json`, `quench_delta_energy.png` | `color_quench_probe.qasm` 与 CPUQVM local probe circuit |
+| connected color correlation between two probe sites | 左右 probe sites 的 connected color correlation | `correlation_slope_chart.txt`, `probe_color_correlation.png` | 给出后续 measurement circuit 的目标观测量 |
+| ground-state fidelity loss | 参数扫描中基态结构变化的参考诊断 | `fidelity_loss_chart.txt`, `fidelity_loss.png` | 可用于验证参数化线路扫描的一致性 |
+
+## 数学模型概述
+
+每个 qubit 表示一个 fundamental SU(2) color spin。两体相互作用取 SU(2)-scalar 形式：
+
+$$
+S_i \cdot S_j = \frac{X_i X_j + Y_i Y_j + Z_i Z_j}{4}
+$$
+
+模型 Hamiltonian 为：
+
+$$
+\begin{aligned}
+H(\delta)
+&= \sum_i J\left[1 + \delta(-1)^i\right] S_i \cdot S_{i+1} \\
+&\quad + \kappa \sum_{i<j} e^{-|i-j|/\xi} S_i \cdot S_j .
+\end{aligned}
+$$
+
+其中 $\delta$ 控制 dimerization，$\kappa$ 和 $\xi$ 控制长程 color interaction 的强度与衰减。
+
+## 项目亮点
+
+- 物理结构保留 SU(2) 对称性。
+- 输出 singlet/triplet sector resolved spectroscopy。
+- 以 connected color correlation 作为 color-chain 诊断量。
+- 示例规模小，便于教学、复现实验和算法展示。
+- 同时包含数值模拟、图表生成、OpenQASM 导出和 pyQPanda CPUQVM 示例。
+
+## 验证方式
+
+```bash
+python -m py_compile run_demo.py make_plots.py pyqpanda_demo.py
+python Tutorials/SU2ColorChainTutorial/run_tutorial.py --num-qubits 6 --points 17
+python Tutorials/SU2ColorChainTutorial/make_tutorial_plots.py
+python -c "import sys; sys.path.insert(0, 'tests'); import test_su2_toy as t; [getattr(t, n)() for n in dir(t) if n.startswith('test_')]; print('tests ok')"
+```

SU2ColorChainTutorial/SUBMISSION_CHECKLIST.md

@@ -0,0 +1,51 @@
+# 提交检查清单
+
+## PR 标题
+
+```text
+【创新应用】SU(2) color-chain quantum simulation tutorial
+```
+
+## 文件清单
+
+- [x] `README.md`：项目总说明
+- [x] `contest_pitch.txt`：项目简介与应用场景
+- [x] `requirements.txt`：基础依赖列表
+- [x] `requirements-pyqpanda.txt`：pyQPanda 可选依赖列表
+- [x] `run_demo.py`：主扫描入口
+- [x] `make_plots.py`：图表生成入口
+- [x] `pyqpanda_demo.py`：pyQPanda CPUQVM 示例入口
+- [x] `src/su2_toy/`：SU(2) toy simulation 模块
+- [x] `tests/test_su2_toy.py`：基础测试
+- [x] `Tutorials/SU2ColorChainTutorial/README.md`：教程说明
+- [x] `Tutorials/SU2ColorChainTutorial/DERIVATION.md`：模型原理说明
+- [x] `Tutorials/SU2ColorChainTutorial/CONTRIBUTION_NOTE.md`：贡献说明
+- [x] `Tutorials/SU2ColorChainTutorial/PR_DESCRIPTION.md`：PR 正文草稿
+- [x] `Tutorials/SU2ColorChainTutorial/run_tutorial.py`：教程运行入口
+- [x] `Tutorials/SU2ColorChainTutorial/make_tutorial_plots.py`：教程画图入口
+- [x] `Tutorials/SU2ColorChainTutorial/pyqpanda_cpuqvm_example.py`：教程版 pyQPanda 示例
+
+## 本地验证命令
+
+```bash
+python -m py_compile run_demo.py make_plots.py pyqpanda_demo.py
+python -m py_compile Tutorials/SU2ColorChainTutorial/run_tutorial.py Tutorials/SU2ColorChainTutorial/make_tutorial_plots.py Tutorials/SU2ColorChainTutorial/pyqpanda_cpuqvm_example.py
+python Tutorials/SU2ColorChainTutorial/run_tutorial.py --num-qubits 6 --points 17
+python Tutorials/SU2ColorChainTutorial/make_tutorial_plots.py
+python -c "import sys; sys.path.insert(0, 'tests'); import test_su2_toy as t; [getattr(t, n)() for n in dir(t) if n.startswith('test_')]; print('tests ok')"
+```
+
+## 输出文件检查
+
+运行后生成的 `outputs/`、`outputs_pyqpanda/`、`__pycache__/`、`*.pyc` 请排除在提交内容之外。
+
+## 提交前检查
+
+- [ ] README 可以独立说明项目目的与运行方式。
+- [ ] tutorial 文档可以独立运行。
+- [ ] `DERIVATION.md` 只说明模型原理与算法设计。
+- [ ] PR 正文使用中文为主，描述清楚教程定位、创新点、运行方式和测试方式。
+- [ ] README 已说明 `pyqpanda` 只用于 CPUQVM 示例，数值教程可用 NumPy 与 Matplotlib 运行。
+- [ ] README 已说明 NumPy reference、OpenQASM prototype 与 pyQPanda CPUQVM execution 的关系。
+- [ ] pyQPanda CPUQVM 示例说明了 bitstring counts 输出位置。
+- [ ] 提交内容不包含本地输出、缓存文件或个人配置。

SU2ColorChainTutorial/Tutorials/SU2ColorChainTutorial/.gitignore

@@ -0,0 +1,4 @@
+outputs*/
+__pycache__/
+*.pyc
+*.pyo

SU2ColorChainTutorial/Tutorials/SU2ColorChainTutorial/CONTRIBUTION_NOTE.md

@@ -0,0 +1,82 @@
+# Contribution Note: SU(2) Color-Chain Quantum Simulation Tutorial
+
+## PR 标题
+
+```text
+【创新应用】SU(2) color-chain quantum simulation tutorial
+```
+
+## 提交类型
+
+```text
+创新应用 / quantum simulation example
+```
+
+## 项目概述
+
+本贡献提供一个小规模 SU(2)-对称量子多体模拟示例。项目使用 color-chain toy Hamiltonian 展示 SU(2)-scalar interaction、singlet/triplet sector spectroscopy、局域 color-singlet quench 和 connected color correlation between two probe sites。
+
+该示例面向教学、算法展示和 pyQPanda 线路迁移，默认规模为 4 到 8 个 qubit，可在本地快速运行。
+
+贡献定位为教程型创新应用：数值扫描部分提供参考观测量，pyQPanda CPUQVM 示例提供对应线路构造入口。
+
+## 主要内容
+
+1. `Tutorials/SU2ColorChainTutorial/README.md`
+   - 教程入口与运行方式。
+
+2. `Tutorials/SU2ColorChainTutorial/DERIVATION.md`
+   - SU(2) 模型原理、sector 诊断和 probe correlation 说明。
+
+3. `Tutorials/SU2ColorChainTutorial/run_tutorial.py`
+   - 运行 SU(2) spectrum / probe correlation 扫描。
+
+4. `Tutorials/SU2ColorChainTutorial/make_tutorial_plots.py`
+   - 根据扫描结果生成图表。
+
+5. `Tutorials/SU2ColorChainTutorial/pyqpanda_cpuqvm_example.py`
+   - pyQPanda CPUQVM 线路示例。
+
+6. `src/su2_toy/`
+   - 可复用 SU(2) toy simulation 模块。
+
+## 模型形式
+
+Hamiltonian 由 SU(2)-scalar interaction 构成：
+
+$$
+S_i \cdot S_j = \frac{X_i X_j + Y_i Y_j + Z_i Z_j}{4}
+$$
+
+扫描参数 $\delta$：
+
+$$
+\begin{aligned}
+H(\delta)
+&= \sum_i J\left[1 + \delta(-1)^i\right] S_i \cdot S_{i+1} \\
+&\quad + \kappa \sum_{i<j} e^{-|i-j|/\xi} S_i \cdot S_j .
+\end{aligned}
+$$
+
+核心输出包括：
+
+- singlet/triplet sector energies。
+- singlet-triplet gap。
+- ground-state fidelity loss。
+- central color-singlet quench energy injection。
+- 左右 probe sites 的 connected color correlation。
+
+## 创新点
+
+- 使用 SU(2)-对称 toy model 展示 color-sector 诊断。
+- 将谱结构、局域 quench 和 probe correlation 放在同一个小规模示例中。
+- 同时提供数值扫描、图表、OpenQASM 线路和 pyQPanda CPUQVM 示例。
+- 示例规模小，便于复现和教学。
+
+## 本地验证
+
+```bash
+python Tutorials/SU2ColorChainTutorial/run_tutorial.py --num-qubits 6 --points 17
+python Tutorials/SU2ColorChainTutorial/make_tutorial_plots.py
+python -c "import sys; sys.path.insert(0, 'tests'); import test_su2_toy as t; [getattr(t, n)() for n in dir(t) if n.startswith('test_')]; print('tests ok')"
+```