QuTiP 开发路线图

前言

本文档概述了QuTiP当前和未来发展的计划和想法。该文档由QuTiP管理团队维护。非常欢迎来自QuTiP社区的贡献。

特别是本文档概述了qutip下一个主要版本的发布计划，该版本将是第5版。还包括下一个主要版本之后的计划和梦想。

QuTiP中有许多开发工作没有记录在这里。这只是对未来协调策略和想法的一个尝试。

什么是QuTiP？

QuTiP这个名字指代几件事。最著名的是，qutip是一个用于模拟量子动力学的Python库。为了支持这一点，该库还包含各种具有更通用应用的软件工具（函数和类），例如线性代数组件和可视化工具，以及专门与量子相关但应用不仅限于解决动力学问题的工具（例如部分迹计算）。

QuTiP 也是一个组织，在 Github 的意义上，以及在一群人共同合作实现共同目标的意义上，同时也是一个网站存在 qutip.org。QuTiP 社区包括自 2010 年项目构想以来所有支持该项目的人，包括管理者、资助者、开发者、维护者和用户。

这些相关且重叠的QuTiP名称使用在考虑如何组织所有与QuTiP相关的软件包时几乎没有影响，特别是那些由QuTiP管理团队维护的软件包。在这里，QuTiP将指代项目/组织，而qutip将指代用于模拟量子动力学的库。

如果我们从头开始，那么我们可能会为主qutip库选择另一个名称，例如qutip-quantdyn。然而，qutip非常有名，这个名称将会保留。

库包结构

由于名称如Python中的量子工具包一样通用，添加到qutip的新代码模块的范围非常广泛。该库变得越来越难以维护，大约在2020年，QuTiP管理团队决定限制“主”（因为没有更好的名称）qutip包的范围。这个范围仅限于用于模拟（求解）量子系统动力学的组件。该范围包括支持此功能的实用程序，包括输出的分析和可视化。

同时，为了简化维护工作，决定限制依赖关系。主要的qutip运行时代码组件应仅依赖于Numpy和Scipy。安装（从源代码）需要Cython，一些可选组件在运行时也需要Cython。单元测试需要Pytest。可视化（可选）组件需要Matplotlib。

由于计划抽象线性代数数据层的全面性，此增强功能（作为GSoC项目的一部分开发）被允许具有要求主要版本的自由（可能导致非向后兼容性）。这样的时机允许对qutip组件进行重组，使得一些可能被视为超出范围的内容可以以不同的方式打包——也就是说，不作为主要qutip包的一部分安装。因此，接下来描述了不同类型的包的提议。关于上述讨论的QuTiP/qutip名称，计划的重组存在命名混淆的问题，这似乎在不重命名组织或主要包的情况下是不可避免的（这两者都是不可取的）。

QuTiP family packages: 主要的qutip包已经包含了一些子包，这些子包在主要的qutip仓库中维护。任何由QuTiP组织维护的包都将被称为QuTiP“家族”包。qutip主包中的子包将被称为“集成”子包。一些包将在它们自己的仓库中维护，并在主要的qutip文件夹结构中单独安装以提供向后兼容性，这些包将被称为qutip可选子包。其他包将安装在自己的文件夹中，但（很可能）将qutip作为依赖项——这些包将仅被称为“家族”包。
QuTiP affilliated packages: 其他包已经由QuTiP组织之外的人开发，这些包与qutip一起工作，并且是互补的。计划是给予我们认为值得的那些一些认可[这需要澄清]。这些包将不由QuTiP团队维护。

家庭套餐

qutip 主页面

当前包状态: 家庭包 qutip
计划包状态: 家庭包 qutip

主qutip包范围内的所有组件目前都位于基础文件夹中。计划是将一些组件移动到集成的子包中，如下所示：

core 量子对象和操作
solver 量子动力学求解器

基础文件夹中剩下的将是杂项模块。可能会有一些机会将一些模块分组到一个可视化子包中。还有一些重命名的潜力，因为一些模块名称包含下划线，这是不常见的。

Qtrl

当前包状态: 已集成的子包 qutip.control
计划包状态: 家庭包 qtrl

有许多用于量子控制优化的OSS Python包。也有许多不同的算法。当前的control集成子包提供了GRAPE和CRAB算法。对于QuTiP来说，尝试（或希望）提供所有选项是过于雄心勃勃的。控制优化已被视为超出范围，因此这些组件将被分离到一个名为Qtrl的家族包中。

根据QuTiP控制框架，Qtrl可能会被用于GRAPE和CRAB的独立包所取代。

QIP

当前包状态: 已集成的子包 qutip.qip
计划包状态: 家庭包 qutip-qip

QIP 子包已被认为超出范围（功能方面）。它还依赖于 qutip.control，因此由于依赖关系的原因也会超出范围。已经为 qutip-qip 创建了一个单独的仓库。

qutip-符号

当前包状态: 独立包 sympsi
计划包状态: 家庭包 qutip-symbolic

很久以前，Robert Johansson 和 Eunjong Kim 开发了 Sympsi。它是一个相当完整的量子计算机代数（符号计算）库。它主要是 Sympy 的量子封装。

它已经陷入无人维护的状态。sympsi 仓库上的最新版本无法与最新版本的 Sympy 一起使用。Alex Pitchford 有一个分支，可以与最近的 Sympy 版本“兼容”——单元测试通过，大多数示例也能正常工作。然而，由于 Sympy 简化函数中对非交换运算符的尊重不足，一些（重要的）示例会失败（注意，截至 2019 年 11 月，这种情况仍然存在，可能现在已经修复）。

有一个[未与RJ和EK讨论]的计划，将其移至QuTiP家族，以便管理团队能够维护、开发和推广它。‘Sympsi’这个名字很可爱，但有点抽象，因此提议使用qutip-symbolic作为替代，因为它更简单且与Sympy更明显区分。

附属包

qucontrol-krotov

代码仓库: https://github.com/qucontrol/krotov

一个用于使用Krotov进行量子控制优化的包，主要由Michael Goerz开发。

通常被管理团队接受为开发良好且维护得当。一个坚实的附属候选者。

开发项目

求解器数据层集成

tag:: solve-dl
status:: 开发进行中
admin lead:: Eric
main dev:: Eric

新的数据层为显著提高qutip求解器的性能提供了机会。Eric通过部署他开发的QobjEvo（时间依赖的量子对象）来改进求解器。QobjEvo将利用数据层，而求解器则反过来利用QobjEvo。

Qtrl迁移

tag:: qtrl-mig
status:: 概念化
admin lead:: Alex
main dev:: 待定

目前打包为qutip主程序集成子包的组件将被移动到一个名为Qtrl的独立包中。这是该包在集成到qutip之前的原始代号。此外，还将实施更改以利用新的数据层。

QuTiP 控制框架

tag:: ctrl-fw
status:: 概念化
admin lead:: Alex
main dev:: 待定

创建新的包 qutip-ctrlfw “QuTiP 控制框架”。其目的是提供一个可以被控制优化包采用的通用框架，使得不同的包（算法）可以应用于相同的问题。

用于定义受控系统的类：

命名的控制参数。标量和n维。连续和离散变量
控制参数到动态生成器参数的映射
用于优化的控制参数的掩码

用于时间依赖变量参数化的类

分段常数
分段线性
傅里叶基
更多

用于定义优化问题的类：

单目标和多目标

QuTiP 优化

tag:: qutip-optim
status:: 概念化
admin lead:: Alex
main dev:: 待定

多变量优化函数的封装器。例如scipy.optimize中的那些（Nelder-Mead, BFGS），但也包括其他方法，如贝叶斯优化和其他基于机器学习的方法。最初仅为量子控制优化提供通用接口，但更广泛适用。

Sympsi 迁移

tag:: sympsi-mig
status:: 概念化
admin lead:: Alex
main dev:: 待定

从ajgpitch的Sympy分支创建一个新的家族包qutip-symbolic。必须获得Robert Johansson和Eunjong Kim的许可。扩展Sympy的简化功能以尊重非交换运算符。生成用户文档。

状态消息和记录

tag:: 状态信息
status:: 概念化
admin lead:: Alex
main dev:: 待定

QuTiP 有多种记录和报告状态和进度的方法。

ProgressBar 被一些求解器使用
在qutip.control中使用的Python日志记录
Dump 用于 qutip.control
heom 记录 solver.Stats

对这些进行一些整合会很好。

一些过程（如某些求解器、相关性、控制优化）有许多阶段和层次。Dump最初是为了帮助调试而开发的，但它也适用于记录数据以进行分析。qutip.logging_utils因其使用Python日志记录的方式而受到批评。输出会发送到stderr，因此在Jupyter笔记本中输出看起来像错误。

显然，存储过程阶段数据在内存和CPU时间方面是昂贵的，因此任何实现都必须能够选择性地开启/关闭，并且在低级进程（cythonized组件）中完全避免。

所需功能：

可选记录（存储）过程阶段数据（状态、操作员等）
可选地将子集写入标准输出
可能是其他图形表示
将子集保存到文件的选项
理想情况下应该替换使用ProgressBar、Python日志记录、control.Dump、solver.Stats

qutip 交互式

status:: 概念化
tag:: qutip-gui
admin lead:: Alex
main dev:: 待定

对于具备基本Python技能的人来说，QuTiP在入门级别使用起来相当简单。然而，一些Python技能是必要的。为qutip的某些部分提供图形用户界面（GUI）可能有助于使qutip更易于使用。这对于教育中的教师和学习者来说可能特别有帮助。

这将是一个很好的GSoC项目。它是独立的，范围灵活。

这个范围广泛且灵活。想法包括但不限于：

交互式布洛赫球面

Matplotlib 具有一些交互功能（滑块、单选按钮、命令按钮），可用于控制参数。它们使用起来有点笨拙，但它们确实存在。也许可以避免使用这些功能并开发我们自己的 GUI。一个交互式的 Bloch 球体可以有用于量子比特状态角度的滑块。按钮可以添加状态，切换状态演化路径。

交互式求解器

配置动态生成器（Lindbladian / Hamiltonian 参数等）和期望算子的选项。然后运行求解器并查看状态演化。

动画电路

QIP电路可以被动画化。状态灯显示处理过程中状态的演变。量子位的动画布洛赫球。

已完成的开发项目

数据层抽象

tag:: dl-abs
status:: 已完成
admin lead:: Eric
main dev:: Jake Lishman

开发作为一个GSoC项目完成。已在dev.major分支中完全实现。目前被一些研究小组使用。

从代码qutip组件中抽象出线性代数数据，允许使用替代方案，如稀疏、密集等。难以总结。几乎qutip中的每个文件都以某种方式受到影响。这是qutip的一个重要里程碑。整个qutip的性能显著提升。

一些开发任务仍然存在，包括提供对数据层调度器如何选择最合适的输出类型的完全控制。

qutip 主要重组

tag:: qmain-reorg
status:: 已完成
admin lead:: Eric
main dev:: Jake Lishman

将qutip的主要组件重组为上述结构。

qutip 用户文档迁移

tag:: qmain-docs
status:: 已完成
admin lead:: Jake Lishman
main dev:: Jake Lishman

qutip 用户文档构建文件将被移动到 qutip/qutip 仓库。这对于一个开源软件包来说更为典型。

作为这一举措的一部分，计划是从头开始重建Sphinx结构。历史上，构建文档存在许多问题。自从qutip文档首次开发以来，Sphinx已经取得了长足的进步。主要的源（rst）文件将保持[几乎]不变，尽管有很大的改进空间。

qutip-doc 仓库之后将仅用于与 QuTiP 项目相关的文档，例如本文档。

QIP迁移

tag:: qip-mig
status:: 已完成
admin lead:: Boxi
main dev:: Sidhant Saraogi

在Sidhant的GSoC项目期间，创建了一个单独的qutip-qip包。需要进行一些微调，特别是在qutip.control迁移之后。

HEOM 改造

tag:: heom-revamp
status:: 已完成
admin lead:: Neill
main dev:: Simon Cross, Tarun Raheja

对HEOM求解器进行了全面改革，以融入BoFiN中开创的改进。

QuTiP 主要发布路线图

QuTiP 版本 5

这些项目需要为qutip v.5版本完成。

数据层抽象 (已完成)
qutip 主重组 (已完成)
qutip 用户文档迁移 (已完成)
Solver 数据层集成 (进行中)
QIP迁移 (已完成)
Qtrl 迁移
HEOM revamp (已完成)

计划的发布时间表是：

alpha版本，2022年12月。核心功能已打包并可供有经验的用户测试。
测试版，2023年1月。所有必需的功能和文档已完成，打包并准备进行社区测试。
完整版本，2023年4月。全面测试的版本已发布。

计划支持的环境：

python 3.8 .. 3.11
numpy 1.20 .. 1.23
scipy 1.5 .. 1.8