如何使用視覺化量子電路圖 Q#

發行項
10/23/2024

量子電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 或 Jupyter Notebook，以可視化方式呈現量子演算法與量子電路圖。

如需量子電路圖慣例的詳細資訊，請參閱量子電路慣例。

必要條件

VS Code

最新版的 Visual Studio Code 或開啟 Web上的 VS Code。
最新版的 Azure Quantum 開發套件延伸模組。
最新的 Azure Quantum qsharp 和 azure-quantum Python 套件。
```
python -m pip install --upgrade qsharp azure-quantum
```

Jupyter 筆記本

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
```

使用 Visual Studio Code 的量子線路

請遵循下列步驟，在 Visual Studio Code 中將程式的量子線路 Q# 可視化。如需量子電路圖慣例的詳細資訊，請參閱量子電路慣例。

檢視程式的電路圖Q#

在Visual Studio Code 中開啟檔案 Q# ，或載入其中一個量子範例。
若要將程式的量子線路 Q# 可視化，請選取 [檢視 -> 命令選擇區 ] 並輸入「circuit」，其中應該會顯示 Q#：Show circuit 選項。您也可以從前面的Main()命令清單中按兩下 [線路]。
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，然後測量它。電路圖顯示一個量子位緩存器，其已初始化為 |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。

檢視作業的電路圖

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

Visual Studio Code 的螢幕快照，顯示如何在偵錯程序之後，將線路窗格中的 Q# 線路可視化。

偵錯時檢視電路圖

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。

從前面的Main()程式代碼鏡頭命令清單中選取 [偵錯] 按鈕。
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。
您可以逐步執行程式代碼，並在各種點設定斷點，以查看程式執行時迴圈更新。
目前的量子線路會顯示在 Q# [線路] 面板中。此電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閘道。

使用 Jupyter Notebook 的量子線路

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

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

新增儲存格 並輸入程式 Q# 碼。例如，下列程式代碼會準備 Bell State。

%%qsharp

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

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，電路圖顯示兩個量子位緩存器，這些緩存器已初始化為 |0⟩狀態。然後，Hadamard 閘道 H 會套用至第一個量子位。之後，CNOT 閘道會使用第一個量子位做為控件來套用，其表示為點，而第二個量子位 target則以 X 表示。
```
qsharp.dump_circuit()
```
```
q_0    ── H ──── ● ──
q_1    ───────── X ──
```
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 環狀交叉。如需詳細資訊，請參閱量子電路慣例。
```
from qsharp_widgets import Circuit

Circuit(qsharp.dump_circuit())
```

檢視項目表達式的電路圖

您可以呼叫 qsharp.circuit() 項目表示式，並傳遞專案表達式做為自變數，以產生任何程式的電路圖。

例如，新增數據格並複製下列程序代碼，以準備 GHZ 狀態。

%%qsharp

import Std.Diagnostics.*;
import Std.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;
}

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)"))
```

使用量子位檢視作業的電路圖

您可以產生任何 採用量子位或量子位 數位數組之作業的電路圖。此圖顯示輸入量子位的線路數目，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。

新增儲存格並複製下列範例。此程式代碼會準備 cat 狀態。

%%qsharp

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

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"))
```

影響電路圖的條件

可視化量子電路時，下列條件可能會影響電路圖的視覺效果。

動態線路

電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。只要迴圈和條件只處理傳統值，就會受到支援。

不過，包含迴圈和使用量子位測量結果的條件表達式的程式比較棘手，以電路圖表示。例如，如下所示的表達式

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

無法以直接的電路圖表示，因為閘道是測量結果的條件。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，因為量子位和網關正在追蹤，因為正在執行模擬。

追蹤電路的缺點是，它們只會擷取單一仿真的測量結果和後續的網關應用程式。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。

Target 設定檔

目前選取 target 的配置檔會影響如何產生電路圖。 Target 配置檔可用來指定硬體的功能 target ，以及對量子程式施加的限制。

target當配置檔設定為 Unrestricted 或 QIR Adaptive RI 時，電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，電路圖會顯示將程式提交至具有此target配置檔的 Azure Quantum 時，將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，請選取 [檢視 -> 命令選擇區 ]，然後選取 Q#：設定 Azure Quantum QIR target 配置檔。您可以從下拉式清單中選取 QIR base、 QIR Adaptive RI或 unrestricted 。
若要在 Python 中選取target設定檔，請呼叫 qsharp.init(target_profile=qsharp.TargetProfile.Base)或 qsharp.init(target_profile=qsharp.TargetProfile.Unrestricted)qsharp.init(target_profile=qsharp.TargetProfile.Adaptive_RI)。

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。

例如，請考慮下列 Q# 可測量量子位和量子位數組的程式。

import Std.Measurement.*;

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);
}

當配置檔設定為 Unrestricted 或 QIR Adaptive RI 時target，線路上顯示的閘道會與程式中叫用的Q#量子作業完全對應。
target當配置檔是 QIR 基底時，線路看起來會有所不同。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。如果此程式透過此 target 配置檔提交至 Azure Quantum，產生的線路會比對硬體上執行的專案。

共用方式為

如何使用視覺化量子電路圖 Q#

必要條件

使用 Visual Studio Code 的量子線路

檢視程式的電路圖Q#

檢視作業的電路圖

偵錯時檢視電路圖

使用 Jupyter Notebook 的量子線路

檢視項目表達式的電路圖

使用量子位檢視作業的電路圖

影響電路圖的條件

動態線路

Target 設定檔

意見反應

其他資源

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如何使用 視覺化量子電路圖 Q#

必要條件

使用 Visual Studio Code 的量子線路

檢視程式的電路圖Q#

檢視作業的電路圖

偵錯時檢視電路圖

使用 Jupyter Notebook 的量子線路

檢視項目表達式的電路圖

使用量子位檢視作業的電路圖

影響電路圖的條件

動態線路

Target 設定檔

意見反應

其他資源

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