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程序的结构Q#

项目
04/24/2024

本文探讨构成程序的常规 Q# 组件。请注意， Q# 在 Jupyter Notebooks 中编写的程序不使用其中一些组件 - 每个部分都介绍了这些差异。

考虑以下 Q# 程序：

namespace Superposition {

    @EntryPoint()
    operation MeasureOneQubit() : Result {
        // Allocate a qubit, by default it is in zero state      
        use q = Qubit();  
        // We apply a Hadamard operation H to the state
        // It now has a 50% chance of being measured 0 or 1  
        H(q);      
        // Now we measure the qubit in Z-basis.
        let result = M(q);
        // We reset the qubit before releasing it.
        Reset(q);
        // Finally, we return the result of the measurement.
        return result;
    }
}

只需阅读 () // 注释，即可判断此程序分配量子比特，应用运算将其置于叠加状态，测量量子比特的状态，然后重置它并返回结果。

若要在 Visual Studio Code 中运行此程序，请参阅程序和 VS Code 入门Q#。

用户命名空间

Q# 程序通常以用户命名的命名空间开头，例如

namespace Superposition {
    // Your code goes here.
}

命名空间有助于组织相关功能。命名空间是用户命名的，每个 qsharp (*.qs) 文件只能有一个 namespace 。

Q#标准库具有预定义的命名空间，这些命名空间包含可在量子程序中使用的函数和操作。有关详细信息，请参阅内置命名空间。

Jupyter Notebook 不使用用户命名空间。

EntryPoint ()

特性 @EntryPoint() 告知 Q# 编译器从何处开始执行程序。在具有多个函数和操作定义的程序中， @EntryPoint() 可以将放在任何函数或操作和程序流从那里开始并按顺序继续。

    ...
    @EntryPoint()
    operation MeasureOneQubit() : Result {
        ...

Jupyter Notebook 不使用入口点。

%%qsharp 命令

默认情况下， Q# Jupyter Notebook 中的程序使用 ipykernel Python 内核。若要将代码添加到 Q# 笔记本单元格，需要使用 %%qsharp 命令，该命令通过 qsharp Python 包启用。例如，Jupyter Notebook中的上一个示例代码如下所示：

import qsharp

%%qsharp

    operation MeasureOneQubit() : Result {
        // Allocate a qubit, by default it is in zero state      
        use q = Qubit();  
        // We apply a Hadamard operation H to the state
        // It now has a 50% chance of being measured 0 or 1  
        H(q);      
        // Now we measure the qubit in Z-basis.
        let result = M(q);
        // We reset the qubit before releasing it.
        Reset(q);
        // Display the result
        Message($"Result is {result}");
        // Finally, we return the result of the measurement.
        return result;
    
    }
    MeasureOneQubit();

请注意，Jupyter Notebook 中缺少用户命名空间或 @EntryPoint()，而 Jupyter Notebook 则不需要这些命名空间。操作不是入口点，而是直接在最后一行中调用。另请注意，Message已将语句添加到Jupyter Notebook代码以显示结果。在 VS Code 中运行早期 Q# 程序时，内置模拟器默认显示结果。

使用 %%qsharp 命令时：

必须先运行 import qsharp 才能启用 %%qsharp 命令。
命令 %%qsharp 的范围限定为显示命令的整个单元格。请注意，它会将笔记本单元格类型从 Python 更改为 Q#。
命令后面的 Q# 代码必须遵循标准的 Q# 编码语法。例如，使用而不是#单元格内的 %%qsharp 注释来表示注释//，并且代码行必须以分号 ;结尾。
%%qsharp 命令在其单元格中不能位于 Python 语句之前或之后。

有关使用Jupyter Notebook程序的示例，请参阅程序和 VS Code 入门Q#。

类型

Q# 提供了许多大多数语言通用的内置类型，包括 Int、 Double、 Bool和 String，以及特定于量子计算的类型。例如， Result 类型表示任何量子比特度量的结果，并且可以具有两个可能定义的值之一： One 和 Zero。在示例程序中，运算 MeasureOneQubit() 需要返回类型， Result 运算 M 测量量子比特并返回 Result。

...
// operation definition expecting a return type of Result
operation MeasureOneQubit() : Result {
    ...
    // Now we measure the qubit in Z-basis, returning a Result type
    let result = M(q);
    ...
}

Q# 还提供了定义范围、数组和元组的类型。你甚至可以定义自己的自定义类型。

分配量子位

在 Q# 中，通过 use 关键字分配量子比特。

我们的示例定义单个量子比特：

// Allocate a qubit.
use q = Qubit();
...

但也可以分配多个量子比特，并通过其索引访问每个量子比特：

...
use qubits = Qubit[2];
X(qubits[1]);
H(qubits[0]);
...

默认情况下，使用 use 关键字分配的每个量子位最初都为 0 态。在程序结束时释放每个量子比特之前，必须重置回零状态。未能重置量子比特将触发运行时错误。

// Reset a qubit.
Reset(q);
...

量子操作

分配后，可以将量子比特传递到操作和函数，也称为可调用对象。运算是 Q# 程序的基本构建基块。 Q# 操作是量子子例程。也就是说，它是一个可调用例程，其中包含用于修改量子位寄存器状态的量子操作。

要定义 Q# 运算，你需要指定运算的名称及其输入和输出。在我们的示例中，单个操作实质上是整个程序。它不采用任何参数，并且预期返回类型 Result为：

operation MeasureOneQubit() : Result {
    ...
}

下面是一个基本示例，它不采用任何参数，并且不需要返回值。该值 Unit 等效于 NULL 其他语言。

operation SayHelloQ() : Unit {
    Message("Hello quantum world!");
}

标准 Q# 库还提供可在程序中使用的操作，例如 Hadamard 或 H 示例程序中使用的操作。在 Z 基指定一个量子比特，H 操作会将量子比特置于平均叠加中。在叠加中，量子比特被测量为 0 或 1 的几率是 50%。

测量量子比特

有许多类型的量子测量，但 Q# 侧重于单个量子比特（也称为 Pauli 测量）的投影测量。在给定基（例如计算基 $\ket{0},\ket{1}$）上进行测量时，量子比特状态将投影到所测量的任何基状态，从而破坏两者之间的任何叠加。

我们的示例程序使用 M 运算，该运算对 Pauli Z 基中的单个量子比特执行测量并返回类型 Result 。

内置命名空间

标准 Q# 库使用内置命名空间，这些命名空间包含可在量子程序中使用的函数和操作。例如，命名空间 Microsoft.Quantum.Intrinsic 包含常用的操作和函数，例如 M，用于度量结果和 Message，用于在程序中的任意位置显示用户消息。

可以通过指定完整命名空间来调用函数或操作，或使用 open 语句使该命名空间的所有函数和操作都可用，并使代码更易于阅读。这两个示例调用相同的操作：

 Microsoft.Quantum.Intrinsic.Message("Hello quantum world!");

open Microsoft.Quantum.Intrinsic;
Message("Hello quantum world!");

请注意，在示例程序中，没有 open 具有完整命名空间的语句或调用。这是因为 Q# 开发环境默认 Microsoft.Quantum.Core 自动加载两个包含常用函数和操作的命名空间和 Microsoft.Quantum.Intrinsic 命名空间。

可以利用 Microsoft.Quantum.Measurement 命名空间并使用 MResetZ 操作来优化示例程序中的代码。 MResetZ 将度量和重置操作合并为一个步骤，如以下示例所示：

namespace Superposition {

    // open the namespace for the MResetZ operation
    open Microsoft.Quantum.Measurement;

    @EntryPoint()
    operation MeasureOneQubit() : Result {
        // Allocate a qubit, by default it is in zero state      
        use q = Qubit();  
        // We apply a Hadamard operation H to the state
        // It now has a 50% chance of being measured 0 or 1  
        H(q);   
        // Measure and reset the qubit, and return the result value   
        return MResetZ(q);
    }
    
}