"""
Реализация Квантового Преобразования Фурье (QFT) для произвольного числа кубитов n.
"""

import cirq
import numpy as np


# === Функция построения схемы QFT ===
def qft_circuit(n: int) -> cirq.Circuit:
    """Создаёт схему квантового преобразования Фурье (QFT) для n кубитов."""
    qubits = [cirq.LineQubit(i) for i in range(n)]
    circuit = cirq.Circuit()

    # Для каждого кубита применяем Hadamard и контролируемые фазовые повороты
    for i in range(n):
        circuit.append(cirq.H(qubits[i]))
        for j in range(i + 1, n):
            angle = 1 / (2 ** (j - i))
            circuit.append(cirq.CZ(qubits[j], qubits[i]) ** angle)

    # После всех поворотов меняем порядок кубитов на обратный
    for i in range(n // 2):
        circuit.append(cirq.SWAP(qubits[i], qubits[n - i - 1]))

    return circuit


# === Главная функция ===
def main():
    n = 4  # число кубитов
    input_state_str = "0111"

    print(f"=== Квантовое преобразование Фурье (QFT) для {n} кубитов ===")
    print(f"Исходное состояние: |{input_state_str}>")

    # --- Создаём кубиты ---
    qubits = [cirq.LineQubit(i) for i in range(n)]
    circuit = cirq.Circuit()

    # Переводим строку в установку нужных кубитов в |1>
    for i, bit in enumerate(
        reversed(input_state_str)
    ):  # reversed, чтобы младший бит был справа
        if bit == "1":
            circuit.append(cirq.X(qubits[i]))  # применяем оператор X (NOT)

    # --- Добавляем саму QFT ---
    circuit += qft_circuit(n)

    print("\nСхема:")
    print(circuit)

    # --- Симуляция ---
    simulator = cirq.Simulator()
    result = simulator.simulate(circuit)
    state = result.final_state_vector

    # --- Вычисляем  фазы ---
    phases = np.angle(state)

    print("\n=== Результирующее состояние (амплитуды и фазы) ===")
    for i, (amp, phi) in enumerate(zip(state, phases)):
        if abs(amp) > 1e-9:  # пропускаем элементы с амплитудой близкой к 0
            print(f"|{i:0{n}b}>: amp={abs(amp):.3f}, phase={phi:.3f} rad")


if __name__ == "__main__":
    main()