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量子编程语言简介 Q#

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Q# 是一种高级 的开源 编程语言，由Microsoft开发，用于编写量子程序。 Q# 包含在 Quantum 开发工具包（QDK）中。 有关详细信息，请参阅 设置 Quantum 开发工具包。

作为量子编程语言，Q# 满足语言、编译器和运行时的以下要求：

  • 硬件不可知： 量子算法中的量子比特不绑定到特定的量子硬件或布局。 Q# 编译器和运行时处理从程序量子比特到物理量子比特的映射，从而允许相同的代码在不同的量子处理器上运行。
  • 量子和经典计算的集成：Q# 允许量子和经典计算的集成，这对于通用量子计算至关重要。
  • 量子比特管理：Q# 提供用于管理量子比特的内置操作和功能，包括创建叠加状态、纠缠量子位和执行量子测量。
  • 尊重物理规律：Q# 和量子算法必须遵循量子物理规则。 例如，不能直接复制或访问量子比特状态。Q#

有关 Q#起源的详细信息，请参阅博客文章 为什么我们需要 Q#？。

Q#程序的结构

开始编写 Q# 程序之前，请务必了解其结构和组件。 请考虑以下名为 叠加的 Q# 程序，它生成一个叠加状态：

namespace Superposition {
    @EntryPoint()
    operation MeasureOneQubit() : Result {
        // Allocate a qubit. By default, it's in the 0 state.  
        use q = Qubit();  
        // Apply the Hadamard operation, H, to the state.
        // It now has a 50% chance of being measured as 0 or 1.
        H(q);      
        // Measure the qubit in the Z-basis.
        let result = M(q);
        // Reset the qubit before releasing it.
        Reset(q);
        // Return the result of the measurement.
        return result;
    }
}

根据注释（//）， Q# 程序首先分配量子比特，应用一个操作来将量子比特置于叠加状态，测量量子比特状态，重置量子比特，最后返回结果。

让我们将此 Q# 程序分解成其组件。

用户命名空间

Q# 程序可以选择从用户定义的 命名空间开始，例如：

namespace Superposition {
    // Your code goes here.
}

命名空间可帮助你组织相关功能。 命名空间在 Q# 程序中是可选的，这意味着可以在不定义命名空间的情况下编写程序。

例如，示例的 叠加 程序也可以在没有命名空间的情况下编写为：

@EntryPoint()
operation MeasureOneQubit() : Result {
    // Allocate a qubit. By default, it's in the 0 state.  
    use q = Qubit();  
    // Apply the Hadamard operation, H, to the state.
    // It now has a 50% chance of being measured as 0 or 1.
    H(q);      
    // Measure the qubit in the Z-basis.
    let result = M(q);
    // Reset the qubit before releasing it.
    Reset(q);
    // Return the result of the measurement.
    return result;
}

注意

每个 Q# 程序只能有一个 namespace。 如果未指定命名空间，则 Q# 编译器使用文件名作为命名空间。

入口点

每个 Q# 程序都必须有一个入口点，即程序的起点。 默认情况下， Q# 编译器会开始从 Main() 操作执行程序（如果可用），该操作可以位于程序中的任何位置。 （可选）可以使用 @EntryPoint() 特性将程序中的任何操作指定为执行点。

例如，在 叠加 程序中，MeasureOneQubit() 操作是程序的入口点，因为它在操作定义之前具有 @EntryPoint() 属性：

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

但是，也可以通过将 MeasureOneQubit() 操作重命名为 Main()来编写程序而不编写 @EntryPoint() 属性，例如：

// The Q# compiler automatically detects the Main() operation as the entry point. 

operation Main() : Result {
    // Allocate a qubit. By default, it's in the 0 state.  
    use q = Qubit();  
    // Apply the Hadamard operation, H, to the state.
    // It now has a 50% chance of being measured as 0 or 1.
    H(q);      
    // Measure the qubit in the Z-basis.
    let result = M(q);
    // Reset the qubit before releasing it.
    Reset(q);
    // Return the result of the measurement.
    return result;
}

类型

类型在任何编程语言中都至关重要，因为它们定义了程序可以使用的数据。 Q# 提供大多数语言共有的内置类型，包括 Int、Double、Bool 和 String，以及定义范围、数组和元组的类型。

Q# 还提供特定于量子计算的类型。 例如，Result 类型表示量子比特度量的结果，可以有两个值：Zero 或 One。

在 叠加 程序中，MeasureOneQubit() 操作返回 Result 类型，该类型对应于 M 操作的返回类型。 度量结果存储在使用语句定义的新变量中 let ：

// The operation definition returns a Result type.
operation MeasureOneQubit() : Result {
    ...
    // Measure the qubit in the Z-basis, returning a Result type.
    let result = M(q);
    ...
}

特定于量子类型的另一个示例是表示量子位的 Qubit 类型。

Q# 还允许定义自己的自定义类型。 有关详细信息，请参阅 类型声明。

分配量子位

在 Q#中，使用 use 关键字和 Qubit 类型分配量子比特。 量子比特始终以 $\ket{0}$ 状态分配。

例如，叠加 程序定义单个量子位并将其存储在变量 q：

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

还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]; // Allocate two qubits.
H(qubits[0]); // Apply H to the first qubit.
X(qubits[1]); // Apply X to the second qubit.

有关详细信息，请参阅 Use 语句。

量子操作

在分配量子比特之后，你可以将其传递给操作和函数。 运算是 Q# 程序的基本构建基块。 Q#操作是量子子例程，或包含更改量子比特寄存器状态的量子运算的可调用例程。

若要定义 Q# 操作，请指定操作的名称、操作的输入和输出。 在 叠加 程序中，MeasureOneQubit() 操作不采用任何参数并返回 Result 类型：

operation MeasureOneQubit() : Result {
    ...
}

下面是一个基本示例，它不采用任何参数，且不期望返回值。 该值 Unit 等效于 NULL 其他语言：

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

标准 Q# 库还提供可以在量子程序中使用的操作，如 Hadamard 操作， H在 Superposition 程序中使用。 给定 Z 基量子位， H 将量子位置于均匀叠加中，其中它有 50% 的机会被测量为 Zero 或 One。

测量量子比特

虽然有许多类型的量子测量， Q# 但侧重于单个量子比特的投影测量，也称为 Pauli 测量。

在 Q#中， Measure 操作度量指定 Pauli 基数中的一个或多个量子比特，可以是 PauliX， PauliY也可以 PauliZ。 Measure返回一Result种Zero或One一种类型。

若要在计算基础 $\lbrace、\ket{0}\rbrace\ket{1}$ 中实现度量，也可以使用该M运算来度量 Pauli Z 基中的量子位。 M这相当于 Measure([PauliZ], [qubit]).

例如，叠加 程序使用 M 操作：

// Measure the qubit in the Z-basis.
let result = M(q);

重置量子比特

在 Q#中，量子比特 在释放时必须 处于 $\ket{0}$ 状态，以避免量子硬件中的错误。 可以使用程序末尾的 Reset 操作将量子位重置为 $\ket{0}$ 状态。 无法重置量子位会导致运行时错误。

// Reset a qubit.
Reset(q);

标准库命名空间

标准 Q# 库具有内置命名空间，其中包含可在量子程序中使用的函数和操作。 例如， Microsoft.Quantum.Intrinsic 命名空间包含常用的操作和函数，例如 M 测量结果以及 Message 显示程序中的任意位置的用户消息。

若要调用函数或操作，可以指定完整的命名空间或使用 import 语句，使该命名空间的所有函数和操作都可用，并使代码更具可读性。 以下示例调用相同的操作：

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

// imports all functions and operations from the Microsoft.Quantum.Intrinsic namespace.
import Microsoft.Quantum.Intrinsic.*;
Message("Hello quantum world!");

// imports just the `Message` function from the Microsoft.Quantum.Intrinsic namespace.
import Microsoft.Quantum.Intrinsic.Message;
Message("Hello quantum world!");

// namespaces in the standard library may be imported using `Std` instead of `Microsoft.Quantum`. 
import Std.Intrinsic.*;
Message("Hello quantum world!");

注意

叠加 程序没有任何具有完整命名空间的 import 语句或调用。 这是因为 Q# 开发环境会自动加载两个命名空间： Microsoft.Quantum.Core 以及 Microsoft.Quantum.Intrinsic包含常用函数和操作的命名空间。

通过使用 MResetZ 操作来优化叠加程序，您可以利用 Microsoft.Quantum.Measurement 命名空间。 MResetZ 将度量和重置操作合并为一个步骤，如以下示例所示：

// Import the namespace for the MResetZ operation.
import Microsoft.Quantum.Measurement.*;

@EntryPoint()
operation MeasureOneQubit() : Result {
    // Allocate a qubit. By default, it's in the 0 state.      
    use q = Qubit();  
    // Apply the Hadamard operation, H, to the state.
    // It now has a 50% chance of being measured as 0 or 1. 
    H(q);   
    // Measure and reset the qubit, and then return the result value.
    return MResetZ(q);
}

了解如何使用 Q# 和 Azure Quantum 开发量子程序

Q# 和 Azure Quantum 是开发和运行量子程序的强大组合。 借助 Q# Azure Quantum，可以编写量子程序、模拟其行为、估算资源要求，并在实际量子硬件上运行它们。 通过这种集成，可以探索量子计算的潜力，并为复杂问题开发创新解决方案。 无论你是初学者还是经验丰富的量子开发人员， Q# Azure Quantum 都提供解锁量子计算所需的工具和资源。

下图显示了使用和 Azure Quantum 开发 Q# 量子程序时通过的阶段。 你的程序从开发环境开始，最后将作业提交到真正的量子硬件。

显示量子编程开发的工作流的关系图。

让我们分解关系图中的步骤。

选择开发环境

在首选的开发环境中运行量子程序。 可以使用 Azure Quantum 网站中的联机代码编辑器、Azure 门户中 Azure Quantum 工作区中的托管 Jupyter Notebook 或 Visual Studio Code 的本地开发环境。 有关详细信息，请参阅 运行 Q# 程序的不同方法。

编写量子程序

可以使用量子开发工具包（QDK）编写 Q# 量子程序。 若要开始，请参阅 快速入门：创建第一个 Q# 程序。

Q#此外，QDK 还提供对量子计算（如 Qiskit 和 Cirq）其他语言的支持。

与 Python 集成

可以在各种 IDE 中单独使用 Q# 或与 Python 一起使用。 例如，可以将 Q# 项目与 Python 主机程序配合使用来调用 Q# 操作，或在 Jupyter Notebooks 中将 Q# 与 Python 集成。 如需更多信息，请参阅Q# 和 Python 的集成。

%%qsharp 命令

默认情况下， Q# Jupyter Notebook 中的程序使用 ipykernel Python 包。 若要将代码添加到 Q# 笔记本单元，请使用 %%qsharp 通过 Python 包启用 qsharp 的命令，后跟 Q# 代码。

使用 %%qsharp时，请记住以下几点：

  • 必须首先运行 import qsharp 才能启用 %%qsharp。
  • %%qsharp 范围到笔记本单元格的显示范围，并将单元格类型从 Python 更改为 Q#。
  • 不能在或之后 %%qsharp放置 Python 语句。
  • Q# 以下 %%qsharp 代码必须遵循 Q# 语法。 例如，使用 // 而不是 # 表示注释和 ; 结束代码行。

估计资源

在实际量子硬件上运行之前，需要确定程序是否可以在现有硬件上运行，以及它消耗的资源数量。

Azure Quantum 资源估算器允许你评估体系结构决策、比较量子比特技术并确定执行给定量子算法所需的资源。 可以从预定义的容错协议中进行选择，并指定基础物理量子比特模型的假设。

有关详细信息，请参阅 “运行第一个资源估算”。

注意

Azure Quantum 资源估算器是免费的，不需要 Azure 帐户。

在模拟中运行程序

编译并运行量子程序时，QDK 会创建量子模拟器的实例，并将代码传递给 Q# 它。 该模拟器使用 Q# 代码创建量子比特（量子粒子的模拟）并应用转换来修改其状态。 然后将模拟器中的量子操作结果返回到程序。 在模拟器中隔离 Q# 代码可确保算法遵循量子物理学定律，还确保这些算法可在量子计算机上正确运行。

将程序提交到真正的量子硬件

可以将 Q# 程序提交到 Azure Quantum，以在真实量子硬件上运行。 还可以运行和提交使用 Qiskit 和 Cirq 语言编写的量子线路。 在 Azure Quantum 中运行量子程序时，创建并运行 作业。 有关详细信息，请参阅 如何将 Q# 程序提交到 Azure Quantum。

xref:microsoft.quantum.work-with-jobs

Azure Quantum 提供当今行业领导者提供的一些最引人入胜且最多样化的量子硬件。 有关受支持的硬件提供程序的当前列表，请参阅量子计算提供程序。

注意

若要将作业提交到 Azure Quantum 提供程序，需要一个 Azure 帐户和量子工作区。 如果没有量子工作区，请参阅 “创建 Azure Quantum 工作区”。

提交作业后，Azure Quantum 将管理作业生命周期，包括作业计划、执行和监视。 可以在 Azure Quantum 门户中跟踪作业的状态并查看结果。 有关详细信息，请参阅处理 Azure Quantum 作业。

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