Начало работы с программами Q# и Visual Studio Code

Статья
04/13/2024

В этой статье описано, как использовать VC Code для создания и отправки заданий квантовых вычислений Q#, Jupyter Notebook или Python в Azure Quantum с помощью VS Code.

Отправка заданий Q# в Azure Quantum

Узнайте, как использовать VS Code для запуска, отладки и отправки программы Q# в Azure Quantum.

Предварительные требования

Сведения об установке см. в статье Установка современного QDK в VS Code.

Рабочая область Azure Quantum по подписке Azure. сведения о создании рабочей области см. в статье Создание рабочей области Azure Quantum;
Последняя версия Visual Studio Code или откройте VS Code в Интернете.
Последняя версия расширения Пакета средств разработки Azure Quantum .

Загрузка примера программы Q#

В VS Code выберите Файл > Новый текстовый файл и сохраните файл как RandomNum.qs.
Откройте RandomNum.qs и введите sample, а затем выберите выборка Random Bit из списка параметров и сохраните файл.

Примечание

Вы также можете открыть собственный файл Q#. Если вы запускаете старую программу Q# и возникают ошибки, см. статью Тестирование и отладка или Перенос программ в современный QDK.

Запуск программы Q#

Чтобы протестировать запуск программы локально во встроенном симуляторе, щелкните Выполнить в списке команд ниже @EntryPoint()или нажмите клавиши CTRL+F5. Выходные данные отобразятся в консоли отладки.
Чтобы выполнить отладку программы перед отправкой в Azure Quantum, щелкните Отладка в списке команд ниже @EntryPoint()или нажмите клавишу F5. Используйте элементы управления отладки в верхней части для пошагового перехода, входа в код и выхода из него. Дополнительные сведения об отладке программ Q# см. в разделе Тестирование и отладка.

Построение гистограммы частоты

Гистограмма частоты представляет распределение результатов, полученных при выполнении квантовой программы несколько раз или "выстрелов". Каждый столбик в гистограмме соответствует возможному результату, а его высота представляет количество наблюдаемых результатов. Гистограмма частоты помогает визуализировать распределение вероятностей этих результатов.

Выберите Вид —> палитра команд и введите "гистограмма", чтобы открыть файл Q#: Выполнить и показать гистограмму . Вы также можете щелкнуть гистограмму в списке команд ниже @EntryPoint(). Выберите этот параметр, чтобы открыть окно гистограммы Q#.
Введите несколько снимков для выполнения программы, например 100 выстрелов, и нажмите клавишу ВВОД. Гистограмма будет отображаться в окне гистограммы Q#.
Щелкните значок параметров вверху слева, чтобы отобразить параметры.
Щелкните полосу, чтобы отобразить процент от этого результата. В этом случае возможны два результата, 0 и 1, и процент каждого результата близок к 50 %.

Совет

Гистограмму можно масштабировать с помощью колесика прокрутки мыши или жеста трекпада. При увеличении диаграммы можно сдвигать, нажав клавишу ALT во время прокрутки.

Подключение к Azure Quantum и отправка задания

Вы можете подключать и отправлять задания непосредственно из VS Code. В этом примере вы отправите задание в симулятор Rigetti.

Выберите Вид —> палитра команд и введите Q#: Подключение к рабочей области Azure Quantum. Нажмите клавишу ВВОД.
Выберите учетную запись Azure и следуйте инструкциям, чтобы подключиться к предпочтительному каталогу, подписке и рабочей области.

Примечание

Если у вас есть строка подключения, можно выбрать Строку подключения и вставить строка подключения, соответствующую рабочей области Azure Quantum. Дополнительные сведения см. в статье Подключение к рабочей области Quantum с помощью строка подключения.
После подключения в области Обозреватель разверните узел Квантовые рабочие области.
Разверните рабочую область и разверните поставщик Rigetti .

Примечание

Если при подключении к Azure Quantum возникла проблема, рядом с именем рабочей области появится значок предупреждения. Наведите указатель мыши на имя рабочей области, чтобы отобразить сведения об ошибке.
Выберите rigetti.sim.qvm в качестве .target
Щелкните значок воспроизведения справа от имени, target чтобы начать отправку текущей программы Q#. Если появится всплывающее окно, выберите Изменить профиль QIR target и продолжите работу.
Добавьте имя для идентификации задания.
Добавьте количество снимков или количество запусков программы.
Нажмите клавишу ВВОД , чтобы отправить задание. Состояние задания отобразится в нижней части экрана.
Разверните узел Задания и наведите указатель мыши на задание, чтобы отобразить время и состояние задания.
Чтобы просмотреть результаты, щелкните значок облака рядом с именем задания, чтобы скачать результаты из хранилища рабочей области и отобразить их в VS Code.

Отправка заданий Jupyter Notebook в Azure Quantum

Узнайте, как использовать VS Code для запуска, отладки и отправки Jupyter Notebook Q# в Azure Quantum. Действия, описанные в этой статье, также относятся к записным книжкам Jupyter Notebook на локальном сервере Jupyter или записных книжках на портале Azure Quantum.

Предварительные требования

Сведения об установке см. в статье Установка современного QDK в VS Code.

Рабочая область Azure Quantum по подписке Azure. сведения о создании рабочей области см. в статье Создание рабочей области Azure Quantum;
Среда Python с установленными Python и Pip .
VS Code с установленными расширениями Azure Quantum Development Kit, Python и Jupyter .
Azure Quantum qsharp и azure-quantum пакеты, а также ipykernel пакет.

Запуск и тестирование программы в локальном симуляторе

В VS Code выберите Просмотреть > палитру команд и выберите Создать: создать Jupyter Notebook.
В правом верхнем углу VS Code обнаружит и отобразит версию Python и виртуальную среду Python, выбранную для записной книжки. Если у вас несколько сред Python, может потребоваться выбрать ядро с помощью средства выбора ядра в правом верхнем углу. Если среда не обнаружена, см. сведения о настройке записных книжек Jupyter Notebook в VS Code .
В первой ячейке записной книжки выполните команду
```
import qsharp
import azure.quantum
```
- Модуль qsharp активирует магическую %%qsharp команду, которая позволяет ввести код Q# непосредственно в ячейку.
- Модуль azure-quantum обеспечивает подключение к рабочей области Azure Quantum.
Примечание

Если ядро ipykernel Jupyter Python не обнаружено, VS Code предложит установить его.

Добавьте еще одну ячейку и введите следующий код Q#, который возвращает указанное пользователем число случайных битов:

%%qsharp

operation Random() : Result {
    use q = Qubit();
    H(q);
    let result = M(q);
    Reset(q);
    return result
}

operation RandomNBits(N: Int): Result[] {
    mutable results = [];
    for i in 0 .. N - 1 {
        let r = Random();
        set results += [r];
    }
    return results
}

Чтобы протестировать операцию, можно использовать eval метод , который может вызывать любую операцию Q#, ранее определенную в записной книжке:
```
qsharp.eval("RandomNBits(4)")
```
```
[Zero, One, One, Zero]
```
Чтобы запустить программу в локальном симуляторе run , используйте метод . shotsУкажите или количество запусков программы, и симулятор возвращает результаты в виде списка Python.
```
qsharp.run("RandomNBits(4)", shots=10)
```
```
[[One, One, One, One],
[Zero, Zero, One, Zero],
[One, Zero, Zero, One],
[Zero, One, Zero, Zero],
[One, Zero, One, One],
[One, Zero, One, Zero],
[One, One, One, Zero],
[One, One, One, One],
[Zero, Zero, Zero, One],
[One, Zero, Zero, One]]
```

Компиляция задания с помощью базового профиля

При запуске программ в локальном квантовом симуляторе можно отправить любой тип программы Q#. Однако оборудование targets Azure Quantum пока не поддерживает все возможности, необходимые для запуска всех программ Q#. Чтобы скомпилировать и отправить программы Q# в Azure Quantum, необходимо задать профиль target , чтобы сообщить Q# о возможностях, поддерживаемых оборудованием target . В настоящее время это базовый профиль. Дополнительные сведения см. в статье Типы профилей в Azure Quantum.

Чтобы повторно инициализировать интерпретатор Q# и скомпилировать программу с базовым профилем, выполните следующие действия:

Используйте метод , init чтобы задать профиль:
```
qsharp.init(target_profile=qsharp.TargetProfile.Base)
```

Так как вы повторно инициализировали интерпретатор, необходимо снова запустить код с новым профилем:

%%qsharp

operation Random() : Result {
    use q = Qubit();
    H(q);
    let result = M(q);
    Reset(q);
    return result
}

operation RandomNBits(N: Int): Result[] {
    mutable results = [];
    for i in 0 .. N - 1 {
        let r = Random();
        set results += [r];
    }
    return results
}

Затем используйте метод , compile чтобы указать операцию или функцию, которая является точкой входа в программу. При этом код компилируется в формат QIR, который затем можно отправить на любое квантовое оборудование:
```
MyProgram = qsharp.compile("RandomNBits(4)")
```

Подключение к Azure Quantum и отправка задания

Теперь, когда программа скомпилирована в правильном формате, создайте azure.quantum.Workspace объект для подключения к Azure Quantum. Для подключения вы будете использовать идентификатор ресурса рабочей области Azure Quantum. Идентификатор ресурса и расположение можно скопировать на странице обзора рабочей области в портал Azure.

В новой ячейке введите идентификатор ресурса и расположение из рабочей области Azure Quantum:
```
MyWorkspace = azure.quantum.Workspace(
    resource_id = "MyResourceID",
    location = "MyLocation"
)
```
Используйте метод , get_targets чтобы просмотреть доступное оборудование targets в рабочей области:
```
MyTargets = MyWorkspace.get_targets()
print("This workspace's targets:")
MyTargets
```

Выберите :rigetti.sim.qvmtarget

MyTarget = MyWorkspace.get_targets("rigetti.sim.qvm")

Наконец, используйте метод , submit чтобы отправить программу с ее параметрами и отобразить результаты:

job = MyTarget.submit(MyProgram, "MyQuantumJob", shots=100)
job.get_results()

{'Histogram': ['[0, 0, 0, 0]',
  0.3,
  '[1, 0, 0, 0]',
  0.1,
  '[1, 1, 1, 1]',
  0.3,
  '[0, 1, 1, 1]',
  0.3]}

Все свойства задания доступны в job.details, например:

print(job.details)
print("\nJob name:", job.details.name)
print("Job status:", job.details.status)
print("Job ID:", job.details.id)

{'additional_properties': {'isCancelling': False}, 'id': '0150202e-9638-11ee-be2f-b16153380354', 'name': 'MyQuantumJob', 'provider_id': 'rigetti'...}
Job name: MyQuantumJob
Job status: Succeeded
Job ID: 0150202e-9638-11ee-be2f-b16153380354

Отправка Python с заданиями Q# в Azure Quantum

Узнайте, как использовать VS Code для написания программы Python, которая вызывает операции Q#, подключается к Azure с помощью команд Python или Azure CLI и отправляет задание.

Предварительные требования

Сведения об установке см. в разделе Установка современного QDK в VS Code.

Рабочая область Azure Quantum по подписке Azure. сведения о создании рабочей области см. в статье Создание рабочей области Azure Quantum;
Среда Python с установленными Python и Pip .
VS Code с установленным пакетом средств разработки Azure Quantum и расширением Python .
Azure Quantum qsharp и azure-quantum пакеты.
Azure CLI с установленным последним расширением Azure Quantum.

Создание и импорт операций Q#

qsharp С помощью пакета можно хранить функции и операции в файлах Q# и создавать проекты Q#, которые позволяют вызывать любые из них из кода Python. Это особенно полезно, если необходимо запустить программу, которая принимает входные параметры.

Выполните действия, чтобы создать проект Q#.
Откройте новый текстовый файл, добавьте следующий код Q#, который возвращает указанное пользователем число случайных битов, и сохраните файл в проекте как source.qs.

Примечание

Обратите внимание, что этот код Q# не имеет @EntryPoint функции, подобной программе Q# (см. раздел Отправка заданий Q# в Azure Quantum), но в отличие от Jupyter Notebook требуется пространство имен (см. раздел Отправка заданий Jupyter Notebook в Azure Quantum).
```
namespace Sample {

  operation Random() : Result {
        use q = Qubit();
        H(q);
        let result = M(q);
        Reset(q);
        return result
  }

  operation RandomNBits(N: Int): Result[] {
        mutable results = [];
        for i in 0 .. N - 1 {
           let r = Random();
           set results += [r];
        }
        return results
  }
}
```
В той же папке откройте другой файл и сохраните его как randomNum.py.
Добавьте следующий код для импорта qsharp модулей и azure.quantum .
```
import qsharp
import azure.quantum
```
Затем добавьте код, чтобы определить корневую папку проекта Q# и протестируйте выполнение target операции в локальном симуляторе. Операция вызывается по пространству< имен>.<operation_name( )> и в этом случае вы передаете количество возвращаемых случайных битов.
```
qsharp.init(project_root = '/MyProjectRootFolder')
print(qsharp.eval("Sample.RandomNBits(4)"))
```
```
[Zero, One, One, Zero]
```
Вы также можете протестировать операцию с помощью run метода , который передает дополнительный shots параметр и возвращает результаты в списке Python. В randomNum.pyзамените предыдущую инструкцию print следующим:
```
result = qsharp.run("Sample.RandomNBits(4)", shots=10)
for x in result:
    print(x)
```
```
[[One, One, One, One],
[Zero, Zero, One, Zero],
[One, Zero, Zero, One],
[Zero, One, Zero, Zero],
[One, Zero, One, One],
[One, Zero, One, Zero],
[One, One, One, Zero],
[One, One, One, One],
[Zero, Zero, Zero, One],
[One, Zero, Zero, One]]
```

Компиляция задания с помощью базового профиля

При запуске программ в локальном квантовом симуляторе можно отправить программу Q# любого типа. Однако оборудование targets Azure Quantum пока не поддерживает все возможности, необходимые для запуска всех программ Q#. Чтобы компилировать и отправлять программы Q# в Azure Quantum, необходимо настроить профиль target , чтобы сообщить Q# о возможностях, поддерживаемых оборудованием target . В настоящее время это базовый профиль. Дополнительные сведения см. в статье Типы профилей в Azure Quantum.

Примечание

Для программ только на Q# в VS Code VS Code VS Code автоматически задает базовый профиль.

Используйте метод , init чтобы задать профиль:
```
qsharp.init(target_profile=qsharp.TargetProfile.Base)
```
Затем используйте метод , compile чтобы указать операцию или функцию, которая является точкой входа в программу. Затем скомпилированную программу можно отправить на любое квантовое оборудование:
```
MyProgram = qsharp.compile("Sample.RandomNBits(4)")
```

Подключение к Azure Quantum и отправка задания

Вы можете подключиться к Azure Quantum и отправить задание с помощью объекта, созданного Workspace Python, или подключиться и отправить задание с помощью Azure CLI. При использовании Azure CLI необходимо сохранить скомпилированную программу в виде текстового файла и отправить этот файл с помощью команды CLI.

Использование Python
Использование Azure CLI

Добавьте следующий код randomNum.pyв , указав идентификатор ресурса и расположение из рабочей области Azure Quantum:
```
workspace = azure.quantum.Workspace(
    resource_id = "MyResourceID",
    location = "MyLocation"
)
```
Используйте метод , get_targets чтобы отобразить доступное оборудование targets в рабочей области:
```
MyTargets = workspace.get_targets()
print("This workspace's targets:")
for x in MyTargets:
    print(x)
```

Выберите :rigetti.sim.qvmtarget

MyTarget = workspace.get_targets("rigetti.sim.qvm")

Наконец, используйте метод , submit чтобы отправить программу с ее параметрами. Результаты задания возвращаются в виде словаря Python.
```
job = MyTarget.submit(MyProgram, "MyPythonJob", shots=100)
results = job.get_results()
print("\nResults: ", results)
```

Чтобы извлечь только значения и отобразить их, выполните следующие действия:

resultList = results.get("Histogram")
for x in resultList:
    print(x)

[0, 0, 0, 0]
0.3
[1, 0, 0, 0]
0.1
[1, 1, 1, 1]
0.3
[0, 1, 1, 1]
0.3

Все свойства задания доступны в job.details, например:

print(job.details)
print("\nJob name:", job.details.name)
print("Job status:", job.details.status)
print("Job ID:", job.details.id)

{'additional_properties': {'isCancelling': False}, 'id': '0fc396d2-97dd-11ee-9958-6ca1004ff31f', 'name': 'MyPythonJob', 'provider_id': 'rigetti'...}
Job name: MyPythonJob
Job status: Succeeded
Job ID: fc396d2-97dd-11ee-9958-6ca1004ff31f

Чтобы отправить задание в Azure Quantum с помощью Azure CLI, необходимо отправить физический файл только что скомпилированной программы.

Добавьте в файл следующий код randomNum.py . Откроется текстовый файл и будет написана скомпилированная программа в правильном формате.
```
file = open("compiled_output.txt", "w")
file.write(MyProgram._ll_str)
file.close()
```
Чтобы отправить задание в Azure Quantum, войдите с помощью Azure CLI:
```
az login
```
Убедитесь, что вы используете последнюю версию расширения Azure CLI quantum :
```
az extension add --upgrade --name quantum
```
Укажите подписку, которую вы хотите использовать, из числа связанных с вашей учетной записью Azure. Вы также можете найти идентификатор своей подписки на странице обзора рабочей области на портале Azure.
```
az account set -s <MySubscriptionID>
```
Просмотр доступных рабочих областей с помощью:
```
az quantum workspace list
```
С помощью команды quantum workspace set можно выбрать рабочую область по умолчанию, которую следует использовать для отправки заданий.
```
az quantum workspace set \
   -g <MyResourceGroup> \
   -w <MyWorkspace> \
   -l <MyLocation> \
   -o table
```
Отображение доступных targets в рабочей области с помощью:
```
az quantum target list -o table
```
Отправьте задание с помощью job submit команды .
- --target-id может быть любым target. В этом примере используйте rigetti.sim.qvmtarget.
- --job-name может быть любой строкой.
- --job-input-format всегда имеет значение qir.v1.
- --job-input-file — это имя текстового файла, созданного на шаге 1.
- --entry-point всегда ENTRYPOINT__main
```
az quantum job submit \
    --target-id rigetti.sim.qvm \
    --job-name MyQuantumJob \
    --job-input-format qir.v1 \
    --job-input-file compiled_output.txt \
    --entry-point ENTRYPOINT__main
```

Чтобы проверка состояние задания, скопируйте идентификатор из выходных данных последнего шага и используйте job show команду :

az quantum job show --job-id b0012975-744a-4405-970e-3d8dc4afb2c0 -o table

Name      Id                                    Status     Target           Submission time                   Completion time                  
--------  ------------------------------------  ---------  ---------------  --------------------------------  -------------------------------- 
MyQuantumJob  b2f07cc4-b49b-40b0-b63b-9a4885e5fef5  Succeeded  rigetti.sim.qvm  2023-12-11T05:33:23.187773+00:00  2023-12-11T05:33:29.252742+00:00

Чтобы просмотреть выходные данные задания, используйте job output команду :

az quantum job output --job-id b0012975-744a-4405-970e-3d8dc4afb2c0 -o table

Result        Frequency
------------  -----------  ----------------------
[0, 1, 1, 1]  1.00000000   |████████████████████|

Начало работы с программами Q# и Visual Studio Code

Отправка заданий Q# в Azure Quantum

Предварительные требования

Загрузка примера программы Q#

Запуск программы Q#

Построение гистограммы частоты

Подключение к Azure Quantum и отправка задания

Отправка заданий Jupyter Notebook в Azure Quantum

Предварительные требования

Запуск и тестирование программы в локальном симуляторе

Компиляция задания с помощью базового профиля

Подключение к Azure Quantum и отправка задания

Отправка Python с заданиями Q# в Azure Quantum

Предварительные требования

Создание и импорт операций Q#

Компиляция задания с помощью базового профиля

Подключение к Azure Quantum и отправка задания

Дальнейшие действия

Обратная связь

Обратная связь

Дополнительные ресурсы