added core code, README, and testing scripts
[strong_simulation_stabilizer_rank.git] / strongsim3.c
diff --git a/strongsim3.c b/strongsim3.c
new file mode 100644 (file)
index 0000000..389a737
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,286 @@
+#include <stdio.h>
+#include <stdlib.h>
+#include <string.h>
+#include <math.h>
+#include <complex.h>
+#include "matrix.h"
+#include "exponentialsum.h"
+#include "shrink.h"
+#include "extend.h"
+#include "measurepauli.h"
+#include "innerproduct.h"
+
+int readPaulicoeffs(int *omega, int *alpha, int *beta, int *gamma, int *delta, int numqubits);
+
+// order of matrix elements is [row][column]!!!
+
+int main()
+{
+
+  int N;              // number of qubits
+  scanf("%d", &N);
+
+  if(N%3 != 0) {
+    printf("'N' needs to be a multiple of 3 for a k=3 tensor factor decomposition!\n");
+    return 1;
+  }
+
+  int T;              // number of T gate magic states (set to the first 'K' of the 'N' qubits -- the rest are set to the '0' computational basis state)
+  scanf("%d", &T);  
+
+  int omega;
+  int alpha[N], beta[N], gamma[N], delta[N];
+  int Paulicounter = 0;
+
+  int i, j, k, l, m;
+
+  double complex coeffa = -0.25*(1.0-I)*(-1.0-I+sqrt(2.0))*csqrt(-I);
+  double complex coeffb = 0.25*(-1.0-I)*(1.0-I+sqrt(2.0))*csqrt(I);
+  double complex coeffc = 0.25*(-1.0-I)*(-1.0+I+sqrt(2.0))*csqrt(I);
+
+  int n1 = 3; int k1 = 1; int (*(G1[])) = { (int[]) {1, 1, 1}, (int[]) {0, 1, 0}, (int[]) {0, 0, 1}}; int (*(GBar1[])) = { (int[]) {1, 0, 0}, (int[]) {1, 1, 0}, (int[]) {1, 0, 1}}; int h1[] = {1, 1, 0}; int Q1 = 0; int D1[] = {2}; int (*(J1[])) = { (int[]) {4} };
+  int n2 = 3; int k2 = 3; int (*(G2[])) = { (int[]) {1, 0, 0}, (int[]) {0, 1, 0}, (int[]) {0, 0, 1} }; int (*(GBar2[])) = { (int[]) {1, 0, 0}, (int[]) {0, 1, 0}, (int[]) {0, 0, 1} }; int h2[] = {0, 0, 0}; int Q2 = 2; int D2[] = {2, 2, 0}; int (*(J2[])) = { (int[]) {4, 0, 0}, (int[]) {0, 4, 0}, (int[]) {0, 0, 0} };
+  int n3 = 3; int k3 = 3; int (*(G3[])) = { (int[]) {1, 0, 0}, (int[]) {0, 1, 0}, (int[]) {0, 0, 1} }; int (*(GBar3[])) = { (int[]) {1, 0, 0}, (int[]) {0, 1, 0}, (int[]) {0, 0, 1} }; int h3[] = {0, 0, 0}; int Q3 = 2; int D3[] = {6, 6, 0}; int (*(J3[])) = { (int[]) {4, 4, 4}, (int[]) {4, 4, 4}, (int[]) {4, 4, 0} };
+
+  int *K; int ***G; int ***GBar; int **h; int *Q; int **D; int ***J;
+  double complex Gamma[(int)pow(3,N/3)]; // prefactor in front of resultant state
+  G = calloc(pow(3,N/3),sizeof(int*)); GBar = calloc(pow(3,N/3),sizeof(int*));
+  h = calloc(pow(3,N/3),sizeof(int*));
+  
+  J = calloc(pow(3,N/3),sizeof(int*)); D = calloc(pow(3,N/3),sizeof(int*)); Q = calloc(pow(3,N/3),sizeof(int));
+
+  K = calloc(pow(3,N/3), sizeof(int));
+
+  double complex origGamma[(int)pow(3,N/3)];
+  int *origK, *origQ, **origD, ***origJ;
+  int ***origG, ***origGBar, **origh;
+
+  origG = calloc(pow(3,N/3),sizeof(int*)); origGBar = calloc(pow(3,N/3),sizeof(int*));
+  origh = calloc(pow(3,N/3),sizeof(int*));
+  
+  origJ = calloc(pow(3,N/3),sizeof(int*)); origD = calloc(pow(3,N/3),sizeof(int*)); origQ = calloc(pow(3,N/3),sizeof(int));
+
+  origK = calloc(pow(3,N/3), sizeof(int));
+
+  int combination; // a particular combination from the linear combo of stabilizer states making up the tensor factors multiplied together
+  
+
+  for(j=0; j<pow(3,N/3); j++) { // there will be 3^(N/3) combinations when using k=3 tensor factors
+
+    combination = j;
+
+    K[j] = 0.0;
+    
+    for(k=0; k<N/3; k++) {
+      K[j] += (((combination%3)==2)*k3 + ((combination%3)==1)*k2 + ((combination%3)==0)*k1);
+      combination /= 3;
+    }
+    combination = j;
+    origK[j] = K[j];
+
+    Gamma[j] = 1.0;
+
+    G[j] = calloc(N, sizeof(int*)); GBar[j] = calloc(N, sizeof(int*));
+    h[j] = calloc(N, sizeof(int));
+
+    if(K[j] > 0) {
+      J[j] = calloc(K[j], sizeof(int*)); D[j] = calloc(K[j], sizeof(int));
+      for(k=0; k<K[j]; k++)
+       J[j][k] = calloc(K[j], sizeof(int));
+    }
+
+    origG[j] = calloc(N, sizeof(int*)); origGBar[j] = calloc(N, sizeof(int*));
+    origh[j] = calloc(N, sizeof(int));
+
+    if(K[j] > 0) {
+      origJ[j] = calloc(K[j], sizeof(int*)); origD[j] = calloc(K[j], sizeof(int));
+      for(k=0; k<K[j]; k++)
+       origJ[j][k] = calloc(K[j], sizeof(int));
+    }
+
+    for(k=0; k<N; k++) {
+      G[j][k] = calloc(N, sizeof(int)); GBar[j][k] = calloc(N, sizeof(int));
+      origG[j][k] = calloc(N, sizeof(int)); origGBar[j][k] = calloc(N, sizeof(int));
+    }
+
+    int Kcounter = 0; // Kcounter keeps track of the K<=N that we have added already to the G rows etc. for each combination that is indexed by the digits (base 3) of 'j' in that we go through with 'k'
+    int Kcombo; // Kcombo stores the k<(n1=n2=n3) dimension of the member of the combination that we are currently adding
+    for(k=0; k<N/3; k++) {
+
+      Q[j] += ((combination%3)==2)*Q3 + ((combination%3)==1)*Q2 + ((combination%3)==0)*Q1;
+      
+      Gamma[j] *= (((combination%3)==2)*coeffc + ((combination%3)==1)*coeffb + ((combination%3)==0)*coeffa);
+
+      Kcombo = (((combination%3)==2)*k3 + ((combination%3)==1)*k2 + ((combination%3)==0)*k1);
+      for(l=0; l<Kcombo; l++) {
+         // D1 has a different number of rows 'l' than D2 and D3 so you need to use something like 'switch' to check combination%3 without going out of bound of J1
+         switch(combination%3) {
+         case 0:
+           D[j][Kcounter+l] = D1[l];
+           break;
+         case 1:
+           D[j][Kcounter+l] = D2[l];
+           break;
+         case 2:
+           D[j][Kcounter+l] = D3[l];
+           break;
+         default:
+           printf("error");
+           return 1;
+         }
+       for(m=0; m<Kcombo; m++) {
+         // J1 has a different number of rows 'l' than J2 and J3 so you need to use something like 'switch' to check combination%3 without going out of bound of J1
+         switch(combination%3) {
+         case 0:
+           J[j][Kcounter+l][Kcounter+m] = J1[l][m];
+           break;
+         case 1:
+           J[j][Kcounter+l][Kcounter+m] = J2[l][m];
+           break;
+         case 2:
+           J[j][Kcounter+l][Kcounter+m] = J3[l][m];
+           break;
+         default:
+           printf("error");
+           return 1;
+         }
+       }
+      }
+
+      for(l=0; l<n1; l++) { // assuming n1=n2=n3
+       h[j][k*n1+l] = ((combination%3)==2)*h3[l] + ((combination%3)==1)*h2[l] + ((combination%3)==0)*h1[l];
+      }
+      // only filling the K[j] first rows of G and GBar here corresponding to the basis for D and J
+      for(l=0; l<Kcombo; l++) {
+       for(m=0; m<n1; m++) { // assuming n1=n2=n3
+         G[j][Kcounter+l][k*n1+m] = ((combination%3)==2)*G3[l][m] + ((combination%3)==1)*G2[l][m] + ((combination%3)==0)*G1[l][m];
+         GBar[j][Kcounter+l][k*n1+m] = ((combination%3)==2)*GBar3[l][m] + ((combination%3)==1)*GBar2[l][m] + ((combination%3)==0)*GBar1[l][m];
+       }
+      }
+      Kcounter = Kcounter + Kcombo;
+      
+      /* printf("intermediate G[%d]:\n", j); */
+      /* printMatrix(G[j], N, N); */
+      /* printf("intermediate GBar[%d]:\n", j); */
+      /* printMatrix(GBar[j], N, N); */
+      //memcpy(origG[j][k], G[j][k], N*sizeof(int)); memcpy(origGBar[j][k], GBar[j][k], N*sizeof(int));
+
+      //memcpy(origJ[j][k], J[j][k], K[j]*sizeof(int));
+      
+      combination /= 3; // shift to the right by one (in base-3 arithmetic)
+    }
+    //printf("!\n");
+
+    // now need to fill the N-Kcounter remaining rows of G and GBar that are outside the spanning basis states of D and J
+    combination = j;
+    for(k=0; k<(N/3); k++) {
+      Kcombo = (((combination%3)==2)*k3 + ((combination%3)==1)*k2 + ((combination%3)==0)*k1);
+      //printf("Kcounter=%d\n", Kcounter);
+      // G and GBar rows that are outside the first 'k' spanning basis states
+      for(l=Kcombo; l<n1; l++) { // assuming n1=n2=n3
+       //printf("l=%d\n", l);
+       for(m=0; m<n1; m++) { // assuming n1=n2=n3
+         /* printf("m=%d\n", m); */
+         /* printf("Kcounter+l=%d\n", Kcounter+l); */
+         /* printf("k*n1+m=%d\n", k*n1+m); */
+         G[j][Kcounter+l-Kcombo][k*n1+m] = ((combination%3)==2)*G3[l][m] + ((combination%3)==1)*G2[l][m] + ((combination%3)==0)*G1[l][m];
+         GBar[j][Kcounter+l-Kcombo][k*n1+m] = ((combination%3)==2)*GBar3[l][m] + ((combination%3)==1)*GBar2[l][m] + ((combination%3)==0)*GBar1[l][m];
+       }
+      }
+      Kcounter = Kcounter + (n1-Kcombo);
+
+      /* printf("intermediate G[%d]:\n", j); */
+      /* printMatrix(G[j], N, N); */
+      /* printf("intermediate GBar[%d]:\n", j); */
+      /* printMatrix(GBar[j], N, N); */
+      
+      combination /= 3;
+    }
+    for(k=0; k<N; k++) {
+      memcpy(origG[j][k], G[j][k], N*sizeof(int)); memcpy(origGBar[j][k], GBar[j][k], N*sizeof(int));
+    }
+    for(k=0; k<K[j]; k++) {
+      memcpy(origJ[j][k], J[j][k], K[j]*sizeof(int));      
+    }
+
+    memcpy(origh[j], h[j], N*sizeof(int));
+    memcpy(origD[j], D[j], K[j]*sizeof(int));
+
+  }
+  //exit(0);
+  memcpy(origGamma, Gamma, pow(3,N/3)*sizeof(double complex));
+
+  memcpy(origQ, Q, pow(3,N/3)*sizeof(int));
+
+  while(readPaulicoeffs(&omega, alpha, beta, gamma, delta, N)) {
+  
+    Paulicounter++;
+    if(Paulicounter > N) {
+      printf("Error: Number of Paulis is greater than N!\n");
+      return 1;
+    }
+    
+    // Let's break up the Ys into Xs and Zs in the order Z X, as required to pass to measurepauli()
+    // Y_i = -I*Z*X
+    for(i=0; i<N; i++) {
+      if(delta[i]){
+       omega += 3; // -I = I^3
+       beta[i] = delta[i];
+       gamma[i] = delta[i];
+      }
+    }
+
+
+    for(j=0; j<pow(3,N/3); j++) { // the kets
+
+      Gamma[j] *= measurepauli(N, &K[j], h[j], G[j], GBar[j], &Q[j], &D[j], &J[j], omega, gamma, beta);
+
+    }
+
+  }
+
+  double complex amplitude = 0.0 + 0.0*I;
+  for(i=0; i<pow(3,N/3); i++) { // the bras
+    for(j=0; j<pow(3,N/3); j++) {
+      double complex newamplitude = innerproduct(N, K[j], h[j], G[j], GBar[j], Q[j], D[j], J[j], N, origK[i], origh[i], origG[i], origGBar[i], origQ[i], origD[i], origJ[i]);
+      amplitude = amplitude + conj(origGamma[i])*Gamma[j]*newamplitude;
+    }
+  }
+
+  printf("amplitude:\n");
+  if(creal(amplitude+0.00000001)>0)
+    printf("%lf %c %lf I\n", cabs(creal(amplitude)), cimag(amplitude+0.00000001)>0?'+':'-' , cabs(cimag(amplitude)));
+  else
+    printf("%lf %c %lf I\n", creal(amplitude), cimag(amplitude+0.00000001)>0?'+':'-' , cabs(cimag(amplitude)));
+  //printf("%lf %c %lf I\n", creal(amplitude), cimag(amplitude)>0?'+':'-' , cabs(cimag(amplitude)));
+
+  return 0;
+
+}
+
+
+
+int readPaulicoeffs(int *omega, int *alpha, int *beta, int *gamma, int *delta, int numqubits)
+{
+    
+  int newomega, newalpha, newbeta, newgamma, newdelta;
+  int i;
+
+  if(scanf("%d", &newomega) != EOF) {
+    *omega = newomega;
+    for(i=0; i<numqubits; i++) {
+      if(scanf("%d %d %d %d", &newalpha, &newbeta, &newgamma, &newdelta) == EOF) {
+       printf("Error: Too few input coeffs!\n");
+       exit(0);
+      }
+      if(newalpha+newbeta+newgamma+newdelta > 1) {
+       printf("Error: Too many coefficients are non-zero at Pauli %d!\n", i);
+       exit(0);
+      }
+      alpha[i] = newalpha; beta[i] = newbeta; gamma[i] = newgamma; delta[i] = newdelta;
+    }
+    return 1;
+  } else
+    return 0;
+    
+}