使用 視覺化量子線路圖 Q#

量子線路圖是量子作業的視覺表示法。 它們會透過量子程序顯示量子位的流程，包括套用的閘道和測量。

在本文中，您將瞭解如何使用 Visual Studio Code 和 Jupyter Notebook，以量子線路圖以可視化方式呈現量子演算法。

如需量子線路圖慣例的詳細資訊，請參閱 量子線路慣例。

必要條件

VS 程式碼

如果您想要使用 Visual Studio Code 將量子線路可視化，您需要：

• 最新版的 Visual Studio Code 或開啟 Web 上的 VS Code。
• 最新版的 Azure Quantum Development Kit 擴充功能。

Jupyter Notebook

如果您想要使用 Jupyter Notebook 將量子線路可視化，您需要：

• 最新版的 Visual Studio Code 或開啟 Web 上的 VS Code。

• 已安裝 Azure Quantum Development Kit、 Python 和 Jupyter 擴充功能的 VS Code。

• 最新的 Azure Quantum qsharp 和 qsharp-widgets 套件，以及套件 ipykernel 。

  python -m pip install --upgrade qsharp qsharp-widgets ipykernel
  

具有 Visual Studio Code的量子線路

請遵循下列步驟，以可視化 Visual Studio Code 中的程式量子線路Q#。 如需量子線路圖慣例的詳細資訊，請參閱 量子線路慣例。

檢視程序的線路圖Q#

1. 在 Visual Studio Code 中開啟檔案Q#，或載入其中一個量子樣本。

2. 若要可視化程式的量子線路 Q# ，請選取 [檢視 -> 命令選擇區 ]，然後輸入應該啟動 [ Q#：顯示線路 ] 選項。 您也可以從下方@EntryPoint()的命令清單中按兩下 [線路]。

   

3. 線路會顯示在 Q# 線路視窗中。 例如，下列線路會對應至將量子位置於迭加中的作業，然後加以測量。 線路圖顯示一個量子位緩存器，其初始化為 |0⟩ 狀態。 然後，Hadamard 閘道 H 會套用至量子位，後面接著 度量作業，以計量符號表示。

   

檢視作業的線路圖

您可以將單 Q# 一作業的量子線路可視化。 若要這樣做，請按兩下出現在作業宣告上方之程式代碼鏡頭中的 [線路 ] 按鈕。

偵錯時檢視線路圖

Q#偵錯程式時，您可以根據程式的目前狀態將量子線路可視化。

1. 按下下方@EntryPoint()程式代碼鏡頭命令清單中的 [偵錯] 按鈕。

2. 在左側的 [執行和偵錯] 檢視中，展開 [變數] 窗格下的 [Quantum Circuit] 區段，以在您逐步執行程式時顯示線路。

   

3. 您可以逐步執行程式代碼，並在各種點中設定斷點，以查看程式執行時進行線路更新。

4. 目前的量子線路會顯示在 Q# [線路] 面板中。 此線路圖代表模擬器的目前狀態，也就是在目前執行點之前已套用的網關。

   

使用 Jupyter Notebook 的量子線路

在 Jupyter Notebooks 中，您可以使用封裝將量子線路 qsharp-widgets 可視化。 此套件提供小工具，可將量子線路圖轉譯為 SVG 影像。

1. 在 [Visual Studio Code] 中，選取 [檢視>命令選擇區]，然後選取 [Create：新增 Jupyter Notebook。

2. 在筆記本的第一個數據格中，執行下列程式代碼以 匯入 Q# 模組。

   import qsharp
   

3. 新增儲存格 並輸入程式 Q# 碼。 例如，下列程式代碼會準備鈴鐺狀態。

   %%qsharp
   
   // Prepare a Bell State.
   use register = Qubit[2];
   H(register[0]);
   CNOT(register[0], register[1]);
   

4. 您可以使用 函 dump_circuit() 式，根據程式的目前狀態來顯示量子線路。 例如，線路圖顯示兩個量子位緩存器，這些緩存器會初始化為 |0⟩ 狀態。 然後，Hadamard 閘道 H 會套用至第一個量子位。 之後，會使用第一個量子位做為控件來套用 CNOT 閘道，其表示為點，第二個量子位則表示為 target，以 X 表示。

   qsharp.dump_circuit()
   

   q_0    ── H ──── ● ──
   q_1    ───────── X ──
   

5. 您可以使用封裝，將量子線路可視化為 SVG 影像qsharp-widgets。 在此情況下，CNOT 閘道會以連接兩個量子位的線條表示，而控制量子位上的點和量子位上的 target 周周交叉。 如需詳細資訊，請參閱 量子線路慣例。

   from qsharp_widgets import Circuit
   
   Circuit(qsharp.dump_circuit())
   

   

檢視項目表達式的線路圖

您可以呼叫 qsharp.circuit()項目表示式，並將專案表達式當做自變數傳遞，以產生任何程序的線路圖。

1. 例如，新增儲存格並複製下列程式代碼，以準備 GHZ 狀態。

   %%qsharp
   
   open Microsoft.Quantum.Diagnostics;
   open Microsoft.Quantum.Measurement;
   
   operation GHZSample(n: Int) : Result[] {
       use qs = Qubit[n];
   
       H(qs[0]);
       ApplyToEach(CNOT(qs[0], _), qs[1...]);
   
       let results = MeasureEachZ(qs);
       ResetAll(qs);
       return results;
   }
   

2. 新增數據格並執行下列程序代碼，以可視化方式呈現線路。 例如，準備具有3個量子位的 GHZ 狀態。

   Circuit(qsharp.circuit("GHZSample(3)"))
   

檢視具有量子位之作業的線路圖

您可以針對 採用量子位或量子位 數位的任何作業產生線路圖。 此圖會顯示輸入量子位時所配置多少條線，以及作業內配置的任何其他量子位。 當作業採用量子位數組時，線路會將數位顯示為2個量子位 (Qubit[])的緩存器。

1. 新增儲存格並複製下列範例。 此程式代碼會準備貓狀態。

   %%qsharp
   
   operation PrepareCatState(register : Qubit[]) : Unit {
       H(register[0]);
       ApplyToEach(CNOT(register[0], _), register[1...]);
   }
   

2. 新增數據格並執行下列程序代碼，以可視化作業的 PrepareCatState 線路。

   Circuit(qsharp.circuit(operation="PrepareCatState"))
   

影響線路圖的條件

在可視化量子線路時，下列條件可能會影響線路圖的視覺效果。

動態線路

線路圖是藉由在程式內 Q# 執行所有傳統邏輯來產生，並追蹤已配置或已套用閘道的任何量子位。 只要迴圈和條件式只處理傳統值，就會受到支援。

不過，包含使用量子位測量結果之循環和條件表達式的程式會很棘手，以線路圖表示。 例如，如下所示的表達式

if (M(q) == One) {
   X(q)
}

無法以直接的線路圖來表示，因為閘道有條件於測量結果。 這類線路稱為 動態 線路。

您可以在量子模擬器中執行程式，並在套用閘道時追蹤閘道，以產生動態線路的電路圖。 這稱為 追蹤 模式，因為正在執行模擬時追蹤量子位和網關。

追蹤線路的缺點是它們只會擷取測量結果，以及單一仿真的後續網關應用程式。 在上述範例中，如果度量結果為 Zero，您就不會在 X 圖表中看到閘道。 仿真的另一個執行可能會顯示稍微不同的線路。

目標設定檔

目前選取 target 的配置檔會影響產生線路圖的方式。 目標配置檔可用來指定硬體的功能 target ，以及對量子程式所加加的限制。

target當配置檔設定為 [不受限制] 時，線路圖會顯示程式中叫用的Q#量子作業。 target當配置檔設定為 QIR 基底時，線路圖會顯示當程式提交至具有此target配置檔的 Azure Quantum 時，會在硬體上執行的量子作業。

注意

• 若要在 VS Code 中選取 target 設定檔，請移至 [檢視 -> 命令選擇區 ] 並寫入 Q#：設定 Azure Quantum QIR target 配置檔。 您可以從下拉式清單中選取 Unrestricted 或 QIR Base Profile 。

• 若要在 Python 中選取 target 設定檔，請寫入 qsharp.init(target_profile=qsharp.TargetProfile.Unrestricted) 或 qsharp.init(target_profile=qsharp.TargetProfile.Base)。

具體而言，會套用閘道分解，讓產生的線路與硬體的功能 target 相容。 這些是會在程式代碼產生和提交至 Azure Quantum 期間套用的相同分解。

1. 例如，請考慮下列 Q# 可測量量子位和量子位數組的程式。

   namespace Sample {
       open Microsoft.Quantum.Measurement;
   
       @EntryPoint()
       operation Main() : (Result, Result[]) {
           // The `M` operation performs a measurement of a single qubit in the
           // computational basis, also known as the Pauli Z basis.
           use q = Qubit();
           let result = M(q);
           Reset(q);
   
           // The `MeasureEachZ` operation measures each qubit in an array in the
           // computational basis and returns an array of `Result` values.
           use qs = Qubit[2];
           let results = MeasureEachZ(qs);
   
           return (result, results);
       }
   }
   

2. 當配置檔設定為 [不受限制] 時target，線路上顯示的網關會完全符合程式中叫用的Q#量子作業。

   

3. 當配置檔是 QIR 基底時target，線路看起來會不同。 由於基底配置檔 targets 不允許在測量之後重複使用量子位，因此測量現在會改為在糾纏的量子位上執行。 由於 Reset 作業不是基底配置檔中支援的閘道，因此會卸除。 如果此程式提交至具有此 target 配置檔的 Azure Quantum，產生的線路會比對硬體上執行的內容。