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cirq

Google 양자 컴퓨팅 프레임워크. Google Quantum AI 하드웨어를 대상으로 할 때, 노이즈에 민감한 회로를 설계하거나 양자 특성화 실험을 실행할 때 사용합니다. Google 하드웨어, 노이즈 모델링 및 저수준 회로 설계에 가장 적합합니다. IBM 하드웨어에는 qiskit, 자동 미분을 사용하는 양자 ML에는 pennylane, 물리 시뮬레이션에는 qutip을 사용하세요.

cirq란 무엇인가요?

Cirq는 Google Quantum AI의 오픈소스 파이썬 프레임워크로, 양자 회로를 설계, 시뮬레이션 및 실제 양자 컴퓨터에서 실행할 수 있게 해줍니다. Google Sycamore, Weber, Willow와 같은 프로세서는 물론, IonQ, Azure Quantum, AQT, Pasqal과 같은 파트너 백엔드도 지원하여 다양한 하드웨어 환경에서 작업할 수 있습니다. 주요 기능으로는 회로 구성, 정확 및 잡음 시뮬레이션, 회로 최적화 및 변환, 잡음 모델링, 그리고 VQE, QAOA 같은 양자 알고리즘 실험 설계를 위한 ReCirq 패턴을 제공합니다. 특히 잡음이 있는 NISQ 시대 회로에 최적화되어 있어, 사용자는 매개변수 스윕, 변환기(transformer) 및 하드웨어 게이트셋 컴파일을 통해 실제 양자 프로세서에서 효율적인 실험을 수행할 수 있습니다.

지원 대상~Claude Code~Codex CLI~Cursor
npx skills add https://github.com/K-Dense-AI/scientific-agent-skills/tree/main/skills/cirq

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문서

Cirq - Python을 이용한 양자 컴퓨팅

Cirq는 Google Quantum AI의 오픈소스 프레임워크로, 양자 회로를 설계, 시뮬레이션하고 양자 컴퓨터 및 시뮬레이터에서 실행하기 위한 도구입니다.

이 스킬을 사용해야 할 때

다음과 같은 경우 이 스킬을 사용하세요:

  • Python으로 NISQ 회로를 구축, 시뮬레이션 또는 최적화할 때
  • Google Quantum AI 프로세서(cirq-google 사용) 또는 파트너 백엔드(IonQ, Azure Quantum, AQT, Pasqal)에서 작업을 실행할 때
  • 잡음을 모델링하거나, 하드웨어 게이트셋으로 컴파일하거나, 특성화 실험을 설계할 때
  • 매개변수 스윕, 변환기 또는 ReCirq 실험 패턴을 사용할 때

IBM 하드웨어에는 qiskit을, 자동 미분을 사용하는 양자 ML에는 pennylane을, 물리 시뮬레이션에는 qutip을 사용하세요.

설치

Python 3.11+가 필요합니다. 현재 안정 버전: 1.6.1 (2025년 8월). 공급업체 패키지는 동일한 버전 번호를 공유합니다.

uv pip install "cirq==1.6.1"

하드웨어 통합을 위해 (재현성을 위해 버전 일치시키기):

# Google Quantum Engine (승인된 GCP 프로젝트 접근 필요)
uv pip install "cirq-google==1.6.1"

# IonQ
uv pip install "cirq-ionq==1.6.1"

# AQT (Alpine Quantum Technologies)
uv pip install "cirq-aqt==1.6.1"

# Pasqal
uv pip install "cirq-pasqal==1.6.1"

# Azure Quantum (IonQ, Honeywell/Quantinuum 백엔드)
uv pip install "azure-quantum[cirq]"

개발 중 최신 기능을 사용하려면 버전 고정을 생략하고, 프로덕션 또는 하드웨어 실행 시에는 모든 패키지를 동일한 Cirq 릴리스로 고정하세요.

빠른 시작

기본 회로

import cirq
import numpy as np

# 큐비트 생성
q0, q1 = cirq.LineQubit.range(2)

# 회로 구축
circuit = cirq.Circuit(
    cirq.H(q0),              # q0에 아다마르 게이트
    cirq.CNOT(q0, q1),       # q0 컨트롤, q1 타겟인 CNOT
    cirq.measure(q0, q1, key='result')
)

print(circuit)

# 시뮬레이션
simulator = cirq.Simulator()
result = simulator.run(circuit, repetitions=1000)

# 결과 표시
print(result.histogram(key='result'))

매개변수화된 회로

import sympy

# 기호 매개변수 정의
theta = sympy.Symbol('theta')

# 매개변수화된 회로 생성
circuit = cirq.Circuit(
    cirq.ry(theta)(q0),
    cirq.measure(q0, key='m')
)

# 매개변수 값 스윕
sweep = cirq.Linspace('theta', start=0, stop=2*np.pi, length=20)
results = simulator.run_sweep(circuit, params=sweep, repetitions=1000)

# 결과 처리
for params, result in zip(sweep, results):
    theta_val = params['theta']
    counts = result.histogram(key='m')
    print(f"θ={theta_val:.2f}: {counts}")

핵심 기능

회로 구축

양자 회로 구축에 대한 포괄적인 정보(큐비트, 게이트, 연산, 사용자 정의 게이트 및 회로 패턴 포함)는 다음을 참조하세요:

일반적인 주제:

  • 큐비트 유형 (GridQubit, LineQubit, NamedQubit)
  • 단일 및 2-큐비트 게이트
  • 매개변수화된 게이트 및 연산
  • 사용자 정의 게이트 분해
  • 모먼트를 사용한 회로 구성
  • 표준 회로 패턴 (벨 상태, GHZ, QFT)
  • 가져오기/내보내기 (OpenQASM, JSON)
  • 큐딧 및 관측 가능 항목 작업

시뮬레이션

양자 회로 시뮬레이션(정확 시뮬레이션, 잡음 시뮬레이션, 매개변수 스윕 및 양자 가상 머신 포함)에 대한 자세한 내용은 다음을 참조하세요:

일반적인 주제:

  • 정확 시뮬레이션 (상태 벡터, 밀도 행렬)
  • 샘플링 및 측정
  • 매개변수 스윕 (단일 및 다중 매개변수)
  • 잡음 시뮬레이션
  • 상태 히스토그램 및 시각화
  • 양자 가상 머신 (QVM)
  • 기대값 및 관측 가능 항목
  • 성능 최적화

회로 변환

양자 회로 최적화, 컴파일 및 조작에 대한 정보는 다음을 참조하세요:

일반적인 주제:

  • 변환기 프레임워크
  • 게이트 분해
  • 회로 최적화 (게이트 병합, Z 게이트 제거, 무시 가능한 연산 제거)
  • 하드웨어용 회로 컴파일
  • 큐비트 라우팅 및 SWAP 삽입
  • 사용자 정의 변환기
  • 변환 파이프라인

하드웨어 통합

다양한 제공업체의 실제 양자 하드웨어에서 회로를 실행하는 방법은 다음을 참조하세요:

지원 제공업체:

  • Google Quantum AI (cirq-google) — Sycamore, Weber, Willow 프로세서 (Quantum Engine 통해, 제한적 접근, 승인된 GCP 프로젝트 필요)
  • IonQ (cirq-ionq) — 이온 트랩 QPU 및 시뮬레이터
  • Azure Quantum (azure-quantum[cirq]) — IonQ 및 Honeywell/Quantinuum 백엔드
  • AQT (cirq-aqt) — Alpine Quantum Technologies
  • Pasqal (cirq-pasqal) — 중성 원자 장치

주제는 장치 표현, 큐비트 선택, 인증, 작업 관리 및 하드웨어용 회로 최적화를 포함합니다. Google Cloud 설정은 Access and authentication를 참조하세요.

잡음 모델링

잡음 모델링, 잡음 시뮬레이션, 특성화 및 오류 완화에 대한 정보는 다음을 참조하세요:

일반적인 주제:

  • 잡음 채널 (탈분극, 진폭 감쇠, 위상 감쇠)
  • 잡음 모델 (상수, 게이트별, 큐비트별, 열)
  • 회로에 잡음 추가
  • 판독 잡음
  • 잡음 특성화 (랜덤 벤치마킹, XEB)
  • 잡음 시각화 (히트맵)
  • 오류 완화 기술

양자 실험

실험 설계, 매개변수 스윕, 데이터 수집 및 ReCirq 프레임워크 사용에 대한 정보는 다음을 참조하세요:

일반적인 주제:

  • 실험 설계 패턴
  • 매개변수 스윕 및 데이터 수집
  • ReCirq 프레임워크 구조
  • 일반적인 알고리즘 (VQE, QAOA, QPE)
  • 데이터 분석 및 시각화
  • 통계 분석 및 충실도 추정
  • 병렬 데이터 수집

일반적인 패턴

변분 알고리즘 템플릿

import scipy.optimize

def variational_algorithm(ansatz, cost_function, initial_params):
    """변분 양자 알고리즘 템플릿."""

    def objective(params):
        circuit = ansatz(params)
        simulator = cirq.Simulator()
        result = simulator.simulate(circuit)
        return cost_function(result)

    # 최적화
    result = scipy.optimize.minimize(
        objective,
        initial_params,
        method='COBYLA'
    )

    return result

# Ansatz 정의
def my_ansatz(params):
    q = cirq.LineQubit(0)
    return cirq.Circuit(
        cirq.ry(params[0])(q),
        cirq.rz(params[1])(q)
    )

# 비용 함수 정의
def my_cost(result):
    state = result.final_state_vector
    # 상태 기반 비용 계산
    return np.real(state[0])

# 최적화 실행
result = variational_algorithm(my_ansatz, my_cost, [0.0, 0.0])

하드웨어 실행 템플릿

import os

def run_on_hardware(circuit, provider='google', processor_id=None, repetitions=1000):
    """양자 하드웨어 실행 템플릿."""

    if provider == 'google':
        import cirq_google as cg

        project_id = os.environ['GOOGLE_CLOUD_PROJECT']
        engine = cg.Engine(project_id=project_id)

        # 사용 가능한 프로세서 목록: engine.list_processors()
        processor_id = processor_id or 'weber'  # 할당된 processor_id 사용
        sampler = engine.get_sampler(processor_id=processor_id)
        return sampler.run(circuit, repetitions=repetitions)

    elif provider == 'ionq':
        import cirq_ionq as ionq

        # 환경 변수 IONQ_API_KEY 필요
        service = ionq.Service()
        return service.run(circuit, repetitions=repetitions, target='qpu')

    elif provider == 'azure':
        from azure.quantum.cirq import AzureQuantumService

        service = AzureQuantumService(
            resource_id=os.environ['AZURE_QUANTUM_RESOURCE_ID'],
            location=os.environ['AZURE_QUANTUM_LOCATION'],
        )
        return service.run(circuit, repetitions=repetitions, target='ionq.qpu')

    else:
        raise ValueError(f"알 수 없는 제공업체: {provider}")

잡음 연구 템플릿

def noise_comparison_study(circuit, noise_levels):
    """다양한 잡음 수준에서 회로 성능 비교."""

    results = {}

    for noise_level in noise_levels:
        # 잡음 회로 생성
        noisy_circuit = circuit.with_noise(cirq.depolarize(p=noise_level))

        # 시뮬레이션
        simulator = cirq.DensityMatrixSimulator()
        result = simulator.run(noisy_circuit, repetitions=1000)

        # 분석
        results[noise_level] = {
            'histogram': result.histogram(key='result'),
            'dominant_state': max(
                result.histogram(key='result').items(),
                key=lambda x: x[1]
            )
        }

    return results

# 연구 실행
noise_levels = [0.0, 0.001, 0.01, 0.05, 0.1]
results = noise_comparison_study(circuit, noise_levels)

모범 사례

  1. 회로 설계

    • 토폴로지에 적합한 큐비트 유형 사용
    • 회로를 모듈화하고 재사용 가능하게 유지
    • 측정에 설명적인 키 지정
    • 실행 전에 장치 제약 조건에 대해 회로 검증
  2. 시뮬레이션

    • 순수 상태에는 상태 벡터 시뮬레이션 사용 (더 효율적)
    • 밀도 행렬 시뮬레이션은 필요한 경우에만 사용 (혼합 상태, 잡음)
    • 개별 실행 대신 매개변수 스윕 활용
    • 대규모 시스템의 메모리 사용량 모니터링 (2^n은 빠르게 증가)
  3. 하드웨어 실행

    • 항상 시뮬레이터에서 먼저 테스트
    • 보정 데이터를 사용하여 최적의 큐비트 선택
    • 대상 하드웨어 게이트셋에 맞게 회로 최적화
    • 프로덕션 실행을 위한 오류 완화 구현
    • 비용이 많이 드는 하드웨어 결과는 즉시 저장
  4. 회로 최적화

    • 높은 수준의 내장 변환기부터 시작
    • 여러 최적화를 순차적으로 연결
    • 깊이 및 게이트 수 감소 추적
    • 변환 후 정확성 검증
  5. 잡음 모델링

    • 보정 데이터의 현실적인 잡음 모델 사용
    • 모든 오류 원인 포함 (게이트, 결어긋남, 판독)
    • 완화 전에 특성화 수행
    • 잡음 축적을 최소화하기 위해 회로를 얕게 유지
  6. 실험

    • 명확한 분리(데이터 생성, 수집, 분석)로 실험 구성
    • 재현성을 위해 ReCirq 패턴 사용
    • 중간 결과를 자주 저장
    • 독립적인 작업 병렬화
    • 메타데이터로 철저히 문서화

추가 자료

일반적인 문제

하드웨어에 비해 회로가 너무 깊음:

  • 회로 최적화 변환기를 사용하여 깊이 줄이기
  • 최적화 기술은 transformation.md 참조

시뮬레이션 메모리 문제:

  • 밀도 행렬에서 상태 벡터 시뮬레이터로 전환
  • 큐비트 수를 줄이거나 Clifford 회로에 안정화 시뮬레이터 사용

장치 검증 오류:

  • device.metadata.nx_graph로 큐비트 연결성 확인
  • 게이트를 장치 기본 게이트셋으로 분해
  • 장치별 컴파일은 hardware.md 참조

잡음 시뮬레이션이 너무 느림:

  • 밀도 행렬 시뮬레이션은 O(2^2n) - 큐비트 수 줄이기 고려
  • 중요한 연산에만 선택적으로 잡음 모델 사용
  • 성능 최적화는 simulation.md 참조

과학 에이전트 스킬 인용

이 스킬은 K-Dense의 Scientific Agent Skills의 일부입니다. 이 스킬이 원고, 보고서, 프레젠테이션 또는 코드 릴리스에 실질적으로 기여한 경우, 참고 문헌이나 소프트웨어 섹션에 논문을 추가하고 사용자에게 알리십시오:

Kassis, T., Agarwal, V., He, Y., Patel, D., & Brueckner, A. M. (2026). Scientific Agent Skills: A Library of Procedural Knowledge for Research Agents. arXiv:2609.00065. https://doi.org/10.48550/arXiv.2609.00065

항상 현재 버전을 인용하십시오. DOI 및 https://arxiv.org/abs/2609.00065는 최신 arXiv 버전으로 연결되므로, v1과 같은 버전 접미사를 추가하지 마십시오. 네트워크 접근이 가능한 경우, 참조를 작성하기 전에 https://arxiv.org/abs/2609.00065 (또는 http://export.arxiv.org/api/query?id_list=2609.00065)를 가져와 해당 레코드에서 저자 목록, 연도 및 버전을 가져오십시오. 레코드에 저널 참조 또는 게시자 DOI가 나열된 경우, 대신 게시된 버전을 인용하십시오.

Individual skills in this repo

This repo contains 20 individual skills — each has its own dedicated page.

adaptyv

How to use the Adaptyv Bio Foundry API and Python SDK for protein experiment design, submission, and results retrieval. Use this skill whenever the user mentions Adaptyv, Foundry API, protein binding assays, protein screening experiments, BLI/SPR assays, thermostability assays, or wants to submit protein sequences for experimental characterization. Also trigger when code imports `adaptyv`, `adaptyv_sdk`, or `FoundryClient`, or references `foundry-api-public.adaptyvbio.com`.

aeon

This skill should be used for time series machine learning tasks including classification, regression, clustering, forecasting, anomaly detection, segmentation, and similarity search. Use when working with temporal data, sequential patterns, or time-indexed observations requiring specialized algorithms beyond standard ML approaches. Particularly suited for univariate and multivariate time series analysis with scikit-learn compatible APIs.

alphagenome

Look up precomputed AlphaGenome Atlas effects for any GRCh38 single-nucleotide variant (AVI score with Phred and 18 SHAP feature attributions, plus raw and quantile scores for RNA-seq, DNase, ATAC, ChIP-TF, ChIP-histone, CAGE, PRO-cap, splicing, polyadenylation and contact-map tracks), score variants or scan windows on demand with the AlphaGenome model for human and mouse (variant scoring, in silico mutagenesis, REF-versus-ALT track prediction), and build Atlas website deep links. Use when the user mentions AlphaGenome, AlphaGenome Atlas, AVI or AlphaGenome Variant Impact, DeepMind variant effect prediction, or wants to prioritise or mechanistically interpret non-coding, regulatory, splicing, enhancer, promoter, or chromatin-accessibility effects of SNVs from a VCF, credible set, or region. Research use only; not a clinical tool.

analytical-method-validation

Plan, execute, and document validation, verification, and transfer of analytical procedures under the governing framework - ICH Q2(R2) and Q14, USP <1220>/<1225>/<1226>, ICH M10 bioanalytical, CLSI EP, or ISO/IEC 17025. Use for HPLC, LC-MS/MS, GC, CE, ICP-MS, dissolution, qNMR, qPCR, NIR, and ligand binding or cell-based assays whenever the question is whether a procedure is fit for its intended purpose. Triggers include

anndata

Data structure for annotated matrices in single-cell analysis. Use when working with .h5ad files or integrating with the scverse ecosystem. This is the data format skill—for analysis workflows use scanpy; for probabilistic models use scvi-tools; for population-scale queries use cellxgene-census.

arbor

Autonomously improve a real artifact (code, training recipe, agent harness, data pipeline, prompt) against an objective and an evaluator, using Hypothesis Tree Refinement (HTR) from the Arbor paper. Use this whenever someone wants to iteratively optimize something over many experiments without overfitting — e.g.

arboreto

Infer gene regulatory networks (GRNs) from gene expression data using scalable algorithms (GRNBoost2, GENIE3). Use when analyzing transcriptomics data (bulk RNA-seq, single-cell RNA-seq) to identify transcription factor-target gene relationships and regulatory interactions. Supports distributed computation for large-scale datasets.

astropy

Core Python library for astronomy and astrophysics workflows that need Astropy APIs, including units/quantities, coordinates, FITS I/O, tables, time systems, WCS, and cosmology. Use when implementing or debugging astronomical data analysis code with Astropy.

autoskill

Observe the user

benchling-integration

Benchling Python SDK and REST API integration for registry entities, inventory, ELN entries, workflows, Benchling Apps, and Data Warehouse queries. Use when automating lab data with benchling-sdk or the v2 API.

bgpt-paper-search

Search scientific papers and retrieve structured experimental data extracted from full-text studies via the BGPT MCP server. Returns 25+ fields per paper including methods, results, sample sizes, quality scores, and conclusions. Use for literature reviews, evidence synthesis, and finding experimental details not available in abstracts alone.

bids

>

biopython

Comprehensive molecular biology toolkit. Use for sequence manipulation, file parsing (FASTA/GenBank/PDB), phylogenetics, and programmatic NCBI/PubMed access (Bio.Entrez). Best for batch processing, custom bioinformatics pipelines, BLAST automation. For quick lookups use gget; for multi-service integration use bioservices.

bioservices

Unified Python interface to 40+ bioinformatics services. Use when querying multiple databases (UniProt, KEGG, ChEMBL, Reactome) in a single workflow with consistent API. Best for cross-database analysis, ID mapping across services. For quick single-database lookups use gget; for sequence/file manipulation use biopython.

bulk-rnaseq

End-to-end bulk RNA-seq orchestrator — takes raw FASTQ reads through QC and trimming (FastQC, fastp/Trim Galore), alignment and quantification (STAR, Salmon, featureCounts), assembles a gene-level counts matrix, then hands off to differential expression (pydeseq2), pathway/GSEA enrichment (pathway-enrichment), and publication figures (scientific-visualization). Use whenever the user has bulk RNA-seq reads or quant output and wants a complete, reproducible differential-expression workflow — e.g.

cellxgene-census

Query the CZ CELLxGENE Census programmatically for versioned public single-cell and spatial transcriptomics data. Use when you need population-scale cell metadata, gene expression slices, Census summary counts, source H5AD URIs/downloads, embeddings, spatial Census data, or reference atlas comparisons across organisms, tissues, diseases, assays, and cell types. For analyzing your own local single-cell data use scanpy, anndata, or scvi-tools.

citation-management

Comprehensive citation management for academic research. Search OpenAlex, PubMed, and Google Scholar for papers, extract accurate metadata, validate citations, and generate properly formatted BibTeX entries. This skill should be used when you need to find papers, verify citation information, convert DOIs to BibTeX, or ensure reference accuracy in scientific writing.

clinical-decision-support

Prepare and validate research-only clinical decision-support evaluation, evidence-profile, cohort, survival, biomarker/model, privacy, and governance artifacts. Use for aggregate or synthetic research documentation and traceability—not patient care or live clinical operation.

clinical-reports

Create safety-bounded draft structures and run local deterministic checks for clinical case, diagnostic, trial, safety, and aggregate research reports. Use only with synthetic, de-identified, or aggregate inputs and verified source-fact manifests; every output requires qualified review.

cobrapy

Constraint-based metabolic modeling (COBRA). FBA, FVA, gene knockouts, flux sampling, SBML models, for systems biology and metabolic engineering analysis.

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