如何建立和管理 Q# 專案和自定義連結庫

發行項
11/14/2024

在本文中，您將瞭解如何建立、管理及共享 Q# 專案。 Q# 專案是具有多個 Q# 檔案的資料夾結構，可以存取彼此的作業和函式。項目有助於以邏輯方式組織原始程式碼。您也可以使用專案作為可從外部來源存取的自訂連結庫。

必要條件

Azure 訂用帳戶中的 Azure Quantum 工作區。若要建立工作區，請參閱建立 Azure Quantum 工作區。
已安裝 Azure Quantum Development Kit 和 Python 延伸模組的 Visual Studio Code。
如果您打算將外部專案發佈至公用 GitHub 存放庫，則為 GitHub 帳戶。

若要執行 Python 程式，您也需要：

已安裝 Python 和 Pip 的 Python 環境。
Azure Quantum qsharp 和 azure-quantum 套件。

項目的運作方式Q#

Q#專案包含Q#名為 qsharp.json 的指令清單檔，以及指定資料夾結構中的一或多個 *.qs 檔案。當使用者在 VS Code 中開啟 *.qs 檔案，或在 Jupyter Notebook 或 Python 檔案中設定 project_root 時，編譯程式會搜尋周圍資料夾階層中的指令清單檔，並判斷專案的範圍。如果找不到指令清單檔，編譯程式會以單一檔案模式運作。您可以手動或在 VS Code 中直接建立 Q# 專案。

外部 Q# 專案是位於另一個目錄或公用 GitHub 存放庫上，並做為自定義連結庫的標準 Q# 專案。外部專案會使用 export 語句來定義外部程式可以存取哪些函式和作業。程式會將外部專案定義為其指令清單檔中的相依性，並使用 import 語句來存取外部專案中的專案（作業、函式、結構及命名空間）。如需詳細資訊，請參閱使用專案作為外部相依性。

Q#定義專案

Q#專案是由指令清單檔的存在所定義，名為 qsharp.json，以及 src 資料夾（其中包含Q#原始程序檔），這兩者都必須位於專案的根資料夾中。針對 Q# 程式和外部項目，編譯程式 Q# 會自動偵測項目資料夾。針對 Python 程式和 Jupyter Notebook，您必須使用qsharp.init呼叫來指定Q#項目資料夾。不過，對於所有類型的程式而言，專案的資料夾結構 Q# 會維持不變。

項目的資料夾結構和階層 Q# 。

Q#使用程式
使用 Python 或 Jupyter Notebook

定義項目資料夾（Q# 程式）

在 VS Code 中開啟 *.qs 檔案時，編譯 Q# 程式會在資料夾結構中向上搜尋指令清單檔。如果找到指令清單檔，編譯程序接著會在 /src 目錄或其任何子目錄中包含所有 Q# 檔案。每個檔案的專案都可供專案中的所有其他檔案使用。

例如，假設這個資料夾結構：

Teleportation_project
- qsharp.json
- src
  - Main.qs
  - TeleportOperations
    - TeleportLib.qs
    - PrepareState
      - PrepareStateLib.qs

當您開啟 /src/TeleportOperation/PrepareState/PrepareStateLib.qs 檔案時，編譯程式Q#：

檢查 /src/TeleportOperation/PrepareState/ 是否有qsharp.json。
檢查 /src/TeleportOperation 是否有qsharp.json。
檢查 /src 是否有qsharp.json。
檢查 / qsharp.json。
/根據指令清單檔的設定，建立為專案的根目錄，並包含專案根目錄下的所有 *.qs 檔案。

定義項目資料夾（Python 和 Jupyter Notebook 程式）

當您使用 Python 程式或 Jupyter Notebook 數據格來存取 Q# 資源時，您需要使用 qsharp.init 語句直接設定專案的根目錄。使用上一個範例中的相同資料夾結構

Teleportation_project
- qsharp.json
- src
- MyPythonProgram.py
  - Main.qs
  - TeleportOperations
    - TeleportLib.qs
    - PrepareState
      - PrepareStateLib.qs

您會在呼叫任何Q#作業之前設定 project_root 。

假設 Python 程式位於 /src 資料夾中，

import qsharp

qsharp.init(project_root = '../Teleportation_project')

注意

如果您打算編譯程式以提交至 Azure Quantum 服務，則也應該將 target_profile 參數新增至 qsharp.init 語句。根據預設， qsharp.init 將設定檔設定為 Unrestricted ，讓您可以在本機模擬器中測試任何量子程序代碼。不過，若要將作業提交至 Azure Quantum，您可能需要將設定檔設定為 Base 或 Adaptive_RI，例如 qsharp.init(project_root = '../Teleportation_project', target_profile = qsharp.TargeProfile.Base)。如需配置檔的詳細資訊 target ，請參閱 QIR target 配置檔。

根資料夾的路徑相對於正在設定的檔案，這表示您的 Q# 專案資料夾可以是任何地方，而且呼叫程式不一定必須位於專案中。有效的路徑也可能是 './MyProjects/Teleportation_project'、或 ../../Teleportation_project。

編譯程式Q#會確認指定的根資料夾中有有效的指令清單檔，並讓 src 資料夾下的任何 *.qs 資源可供項目內參考。

建立資訊清單檔

指令清單檔案是名為 qsharp.json 的簡單.json 檔案，可以選擇性地包含作者、授權和 lints 字段。最小可行的指令清單檔是字串 {}。當您在 VS Code 中建立 Q# 專案時，會為您建立最小的指令清單檔。

{}

指令清單檔案範例

以下是指令清單檔如何定義專案範圍的 Q# 一些範例。

在此範例中， author 是唯一指定的欄位，因此此目錄中的所有 *.qs 檔案及其所有子目錄都會包含在 Q# 專案中。
```
{
    "author":"Microsoft",
    "license": "MIT"
}
```
在 Q# 專案中，您也可以使用指令清單檔來微調 VS Code Q# Linter 設定。根據預設，三個 Linter 規則為：
- needlessParens：default = allow
- divisionByZero：default = warn
- redundantSemicolons：default = warn
使用指令清單檔，您可以將每個規則設定為 allow、 warn或 error，例如
```
{
    "author":"Microsoft",
    "lints": [
        {
          "lint": "needlessParens",
          "level": "allow"
        },
        {
          "lint": "redundantSemicolons",
          "level": "warn"
        },
        {
          "lint": "divisionByZero",
          "level": "error"
        }
      ]
}
```
您也可以使用指令清單檔，將外部 Q# 專案定義為相依性，並遠端訪問該外部專案中的作業和函式。如需詳細資訊，請參閱使用專案作為外部相依性。

Q# 專案需求和屬性

下列需求和組態適用於所有 Q# 專案。

您想要包含在專案中的所有 *.qs 檔案都必須位於名為 src 的資料夾之下，該資料夾必須位於的 Q#根資料夾底下。當您在 VS Code 中建立 Q# 專案時， /src 會自動建立資料夾。
指令清單檔應該與 src 資料夾位於相同的層級。當您在 VS Code 中建立 Q# 專案時，會自動建立最少的檔案。

使用 import 語句從專案中的其他檔案參考作業和函式。

import MyMathLib.*;  //imports all the callables in the MyMathLib namespace
...
    Multiply(x,y);

或使用命名空間個別參考它們

MyMathLib.Multiply(x,y);

僅適用於 Q# 專案

專案中只有一個 *.qs 檔案 Q# 可以定義由單 Main() 一作業定義的進入點。
具有進入點定義的 *.qs 檔案可以位於指令清單檔案下方的任何層級。
從 *.qs 檔案快取的任何作業或函式，專案中的任何 Q# 位置會顯示在 VS Code 中的預測文字中。
如果尚未匯入所選作業或函式的命名空間，VS Code 會自動新增必要的 import 語句。

建立 Q# 專案的步驟

這些步驟適用於所有 Q# 專案。

在 VS Code 檔案總管中，以滑鼠右鍵按下您要用於專案根資料夾的資料夾Q#，然後選取 [建立Q#專案]，或開啟資料夾，然後選取 [檢視>命令選擇區>Q#：建立Q#專案...]。
VS Code 會在資料夾中建立最少的指令清單檔案，並使用範本檔案新增 /src 資料夾 Main.qs 。
視需要編輯指令清單檔案。請參閱指令清單檔案範例。
在資料夾下/src新增並組織您的Q#原始程序檔。
如果您要從 Python 程式或 Jupyter Notebook 存取Q#專案，請使用 qsharp.init設定根資料夾路徑。這個範例假設您的程式位於專案的 /src 資料夾中 Q# ：
```
qsharp.init(project_root = '../Teleportation_project')
```
如果您只 Q# 使用 VS Code 中的檔案，當您開啟 Q# 檔案時，編譯程式會搜尋指令清單檔、判斷專案的根資料夾，然後掃描子資料夾是否有 *.qs 檔案。

注意

您也可以在步驟 2 中手動建立指令清單檔案和 /src 資料夾。

範例專案

此量子遠端傳送程式是以稍早所示的單一 Q# 資料夾結構為基礎的專案範例，並在 VS Code 中的本機模擬器上執行。若要在 Azure Quantum 硬體或第三方模擬器上執行程式，請參閱開始使用 Q# 程式和 VSCode 以取得編譯程式並連線到 Azure 工作區的步驟。

這個範例會使用此目錄結構：

Teleportation_project
- qsharp.json
- src
  - Main.qs
  - TeleportOperations
    - TeleportLib.qs
    - PrepareState
      - PrepareStateLib.qs

指令清單檔案包含作者和授權欄位：

{
    "author":"Microsoft",
    "license":"MIT"
}

Q# 來源檔案

Main.qs 主要檔案包含進入點，並從 TeleportLib.qs 參考 TeleportOperations.TeleportLib 命名空間。


    import TeleportOperations.TeleportLib.Teleport;   // references the Teleport operation from TeleportLib.qs

    operation Main() : Unit {
        use msg = Qubit();
        use target = Qubit();

        H(msg);
        Teleport(msg, target);    // calls the Teleport() operation from TeleportLib.qs
        H(target);

        if M(target) == Zero {
            Message("Teleported successfully!");
        
        Reset(msg);
        Reset(target);
        }
    }

TeleportLib.qs 會定義作業，Teleport()並從 PrepareStateLib.qs 呼叫PrepareBellPair()作業。


    import TeleportOperations.PrepareState.PrepareStateLib.*;     // references the namespace in PrepareStateLib.qs
 
    operation Teleport(msg : Qubit, target : Qubit) : Unit {
        use here = Qubit();

        PrepareBellPair(here, target);      // calls the PrepareBellPair() operation from PrepareStateLib.qs
        Adjoint PrepareBellPair(msg, here);

        if M(msg) == One { Z(target); }
        if M(here) == One { X(target); }

        Reset(here);
    }

PrepareStateLib.qs 檔案包含標準可重複使用的作業，可建立 Bell 配對。

    
    operation PrepareBellPair(left : Qubit, right : Qubit) : Unit is Adj + Ctl {
        H(left);
        CNOT(left, right);
    }

執行程式

選取您執行程式之環境的索引標籤。

若要執行此程式，請在 VS Code 中開啟 Main.qs 檔案，然後選取 [ 執行]。

若要在 Jupyter Notebook 中執行此程式，請開啟新的筆記本並執行下列數據格：

import qsharp

# set the root folder for the Q# project
# make adjustments to the path depending on where your program is saved

# this example assumes your program is in the /src folder
qsharp.init(project_root = '../Teleportation_project')

如果您的路徑有效，您會看到確認訊息， Q# initialized with configuration: {'targetProfile': 'unrestricted'}

使用 %%qsharp magic命令呼叫主要作業來執行程式

%%qsharp
// call the main operation
Main.Main();

qsharp.eval()或使用語句

print (qsharp.eval("Main.Main()"))

若要執行此程式，請執行下列命令：

import qsharp

# set the root folder for the Q# project
# make adjustments to the path depending on where your program is saved

# this example assumes your program is in the same folder as the root folder
qsharp.init(project_root = '../Teleportation_project')

使用呼叫主要作業來執行程式 qsharp.eval()

print (qsharp.eval("Main.Main()"))

將項目設定 Q# 為外部相依性

Q#專案也可以設定為其他專案的外部相依性，這與連結庫類似，其中外部Q#專案中的函式和作業可供多個Q#專案使用。外部相依性可以位於磁碟驅動器共用上，或發佈至公用 GitHub 存放庫。

若要使用 Q# 專案作為外部相依性，您需要：

將外部專案新增為呼叫專案的指令清單檔中的相依性。
如果外部專案發佈至 GitHub，請將「files」屬性新增至外部專案的指令清單檔。
將語句新增 export 至外部專案。
將語句新增 import 至呼叫的專案。

設定指令清單檔

外部 Q# 專案可以位於本機或網路磁碟驅動器共用上，或發佈至公用 GitHub 存放庫。

呼叫的專案指令清單檔

若要將相依性新增至磁碟驅動器共用上的外部專案，請在呼叫專案的指令清單檔中定義相依性。

{
    "author": "Microsoft",
    "license": "MIT",
    "dependencies": {
        "MyDependency": {
            "path": "/path/to/project/folder/on/disk"
        }
    }
}

其中「MyDependency」是使用者定義的字串，可在呼叫作業時識別命名空間。例如，如果您建立名為「MyMathFunctions」的相依性，您可以使用從該相依性呼叫函式 MyMathFunctions.MyFunction()。

將相依性新增至發佈至公用 GitHub 存放庫的專案

{
    "author": "Microsoft",
    "dependencies": {
        "MyDependency": {
            "github": {
                "owner": "GitHubUser",
                "repo": "GitHubRepoName",
                "ref": "CommitHash",
                "path": "/path/to/dependency"
            }
        }
}

注意

針對 GitHub 相依性，“ref” 是指 GitHub refspec。 Microsoft建議一律使用認可哈希，因此您可以依賴特定版本的相依性。

外部專案指令清單檔

如果您的外部Q#專案發佈至公用 GitHub 存放庫，您必須將 files 屬性新增至外部專案的指令清單檔，包括專案中使用的所有檔案。

{
    "author": "Microsoft",
    "license": "MIT",
    "files": [ "src/MyMathFunctions.qs", "src/Strings/MyStringFunctions.qs" ]
}

「檔案」屬性是透過匯入的外部專案選擇性屬性（也就是本機 filepath 型匯入 "path" ）。只有發行至 GitHub 的專案才需要此專案。

使用 export 語句

若要讓外部專案中的函式和作業可供呼叫專案存取，請使用 export 語句。您可以匯出檔案中的任何或所有可呼叫者。不支援通配符語法，您必須指定要導出的每個可呼叫專案。

operation Operation_A() : Unit {
...
}
operation Operation_B() : Unit  {
...
}

// makes just Operation_A available to calling programs
export Operation_A;           

// makes Operation_A and Operation_B available to calling programs         
export Operation_A, Operation_B, etc.; 

// makes Operation_A available as 'OpA'
export Operation_A as OpA;

使用 import 語句

從呼叫程式，您可以使用 import 語句讓外部相依性的專案可供使用。 import 語句會使用針對指令清單檔中相依性定義的命名空間。例如，針對此相依性

{
    "author": "Microsoft",
    "license": "MIT",
    "dependencies": {
        "MyMathFunctions": {
            "path": "/path/to/project/folder/on/disk"
        }
    }
}

您匯入可呼叫專案為

import MyMathFunctions.MyFunction;  // imports "MyFunction()" from the namespace
...

語句 import 也支援通配符語法和別名

// imports all items from the "MyMathFunctions" namespace
import MyMathFunctions.*;        

// imports the namespace as "Math", all items are accessible via "Math.<callable>"
import MyMathFunctions as Math;   

// imports a single item, available in the local scope as "Add"
import MyMathFunctions.MyFunction as Add;        

// imports can be combined on one line
import MyMathFunctions.MyFunction, MyMathFunctions.AnotherFunction as Multiply;

注意

中目前使用的 open 語句 Q#，用於參考連結庫和命名空間，仍受支援，但最終將會被取代。同時，您可以選擇性地更新目前的檔案以使用 import 語句。例如， open Microsoft.Quantum.Diagnostics; 可以取代為 import Microsoft.Quantum.Diagnostics.*;。另請注意，搭配標準Q#連結庫使用 import 語句時，您可以將根命名空間縮短為 Std。例如， import Microsoft.Quantum.Diagnostics.*; 可以撰寫為 import Std.Diagnostics.*;。

范例外部專案

在此範例中，您將使用與先前範例相同的遠端傳送程式，但將呼叫程式和可呼叫者分成不同的專案。

在您的本機磁碟驅動器上建立兩個資料夾，例如「Project_A」和「Project_B」。
Q#遵循建立專案的步驟中的步驟，在每個資料夾中建立Q#專案。

在 Project_A中，呼叫程式會將下列程式代碼複製到指令清單檔案，視需要編輯路徑，以Project_B

{
  "author": "Microsoft",
  "license": "MIT",
  "dependencies": {
    "MyTeleportLib": {
      "path": "/Project_B" 
      }
    }
  }

在 Project_A中，將下列程式代碼複製到 Main.qs

import MyTeleportLib.Teleport;   // imports the Teleport operation from the MyTeleportLib namespace defined in the manifest file

operation Main() : Unit {
    use msg = Qubit();
    use target = Qubit();

    H(msg);
    Teleport(msg, target);    // calls the Teleport() operation from the MyTeleportLib namespace
    H(target);

    if M(target) == Zero {
        Message("Teleported successfully!");

    Reset(msg);
    Reset(target);
    }
}

在 Project_B 中，將下列程式代碼複製到 Main.qs


    operation Teleport(msg : Qubit, target : Qubit) : Unit {
        use here = Qubit();

        PrepareBellPair(here, target); 
        Adjoint PrepareBellPair(msg, here);

        if M(msg) == One { Z(target); }
        if M(here) == One { X(target); }

        Reset(here);
    }

    operation PrepareBellPair(left : Qubit, right : Qubit) : Unit is Adj + Ctl {
        H(left);
        CNOT(left, right);
    }

    export Teleport;       //  makes the Teleport operation available to external programs

注意

請注意， PrepareBellPair 作業不需要匯出，因為它不會直接從程式Project_A呼叫。因為它位於Project_B的本機範圍內，所以作業已經可供存取 Teleport 。

若要執行程式，請在 VS Code 中開啟 /Project_A/Main.qs，然後選取 [ 執行]。

專案和隱含命名空間

在 Q# 專案中，如果未在 *.qs 程式中指定命名空間，則編譯程式會使用檔名作為命名空間。從外部相依性參考可呼叫的，然後使用語法 <dependencyName>。<namespace>。<可>呼叫。不過，如果檔案名為「Main.qs」，則編譯程式會假設命名空間，而呼叫語法為 <dependencyName>。<可>呼叫，如上一個範例所示。 import MyTeleportLib.Teleport

由於有多個項目檔並不罕見，因此在參考可呼叫專案時，您必須考慮正確的語法。例如，在具有下列檔案結構的專案中

src/
- Main.qs
- MathFunctions.qs

外部相依性呼叫會是

import MyTeleportLib.MyFunction;        // "Main" namespace is implied

import MyTeleportLib.MathFunctions.MyFunction;   // "Math" namespace must be explicit

如需命名空間行為的詳細資訊，請參閱使用者命名空間。

共用方式為

如何建立和管理 Q# 專案和自定義連結庫

必要條件

項目的運作方式Q#

Q#定義專案

定義項目資料夾（Q# 程式）

定義項目資料夾（Python 和 Jupyter Notebook 程式）

建立資訊清單檔

指令清單檔案範例

Q# 專案需求和屬性

建立 Q# 專案的步驟

範例專案

Q# 來源檔案

執行程式

將項目設定 Q# 為外部相依性

設定指令清單檔

呼叫的專案指令清單檔

外部專案指令清單檔

使用 export 語句

使用 import 語句

范例外部專案

專案和隱含命名空間

意見反應

其他資源

共用方式為

如何建立和管理 Q# 專案和自定義連結庫

必要條件

項目的運作方式Q#

Q#定義專案

定義項目資料夾 （Q# 程式）

建立資訊清單檔

指令清單檔案範例

Q# 專案需求和屬性

建立 Q# 專案的步驟

範例專案

Q# 來源檔案

執行程式

將項目設定 Q# 為外部相依性

設定指令清單檔

呼叫的專案指令清單檔

外部專案指令清單檔

使用 export 語句

使用 import 語句

范例外部專案

專案和隱含命名空間

意見反應

其他資源

定義項目資料夾（Q# 程式）