如何安装和运行 QDK 量子模拟器

（Microsoft Quantum 开发工具包QDK） 包括一组量子模拟器，可以从 （VS Code） 扩展和PythonQDK包访问Visual Studio Code。 通过这些模拟器，可以测试量子程序在真实量子硬件上的运行方式。 本文介绍如何安装模拟器以及如何在 Jupyter Notebook 和 VS Code中运行基本模拟。

QDK 包括四个量子模拟器：

• 稀疏模拟器
• 克利福德模拟器
• GPU 模拟器
• CPU 模拟器

有关 QDK量子模拟器的更多信息，请参阅QDK中的量子模拟器概述。

先决条件

若要执行本文中的步骤，需要安装以下工具：

• Python 环境（版本 3.10 或更高版本），Python 和 Pip
• 最新版本（Visual Studio CodeVS Code）
• Python 中的 Jupyter 和 VS Code 的最新版本

安装模拟器

包中 QDKPython 提供了所有四个模拟器，但扩展中 QDKVS Code 只有稀疏模拟器可用。

若要在 VS Code 扩展中使用稀疏模拟器，请安装用于 QDK 的 VS Code 扩展。

若要使用量子模拟器，Python请Jupyter Notebook安装最新版本的Pythonqdk包，并jupyter额外安装：

pip install --upgrade "qdk[jupyter]"

使用模拟器不需要额外的 jupyter 功能，但会安装该 qdk.widgets 模块。 widgets 模块允许在 Jupyter Notebook 中通过模拟结果创建可视化效果。

使用适用于 QDK 的 VS Code 扩展运行模拟

用于QDK的VS Code扩展仅提供稀疏模拟器。 若要在 VS Code 的稀疏模拟器上运行程序，请在 .qs 中打开 Q#（.qasm）或 OpenQASM（VS Code）程序，并运行该文件。

例如，请按以下步骤运行随 QDK 扩展提供的 Q# 示例程序之一：

1. 在 VS Code中，打开“ 文件 ”菜单，然后选择“ 新建文本文件”。
2. 为文件指定以扩展名结尾 .qs 的名称。
3. 在空文件中，输入 示例。 此时会打开包含的代码示例列表。
4. 选择代码示例，例如 Bell Pair 示例。
5. 若要在稀疏模拟器上运行程序，请从 Main 操作上方的代码镜头中选择“运行”命令。

终端 VS Code 显示模拟的输出。

注释

你可以在 QDK 扩展中为 Q# 程序的稀疏模拟添加有限数量的噪声模型。 有关详细信息，请参阅 在 VS Code 中向稀疏模拟器添加泡利噪声。

使用 QDKPython 包运行模拟

该 QDKPython 包提供所有四个模拟器。 如何调用模拟器取决于模拟器和量子编程框架。

调用稀疏模拟器

可以为 Q#、OpenQASM 和 Qiskit 程序调用稀疏模拟器。 下表显示了如何在每个支持的量子编程框架中从 qdk 包中调用稀疏模拟器 10 次。

编程框架	Python API	示例调用
Q#	qsharp.run	qsharp.run("MyQsharpProgram()", shots=10)
OpenQASM	openqasm.run	openqasm.run(my_qasm_program, shots=10)
Qiskit	qiskit.QSharpBackend	QSharpBackend().run(my_qiskit_program, shots=10)

注释

对于 Q# 和 OpenQASM 程序，可以使用 noise 参数将噪声模型添加到稀疏模拟器中，但对于 Qiskit 程序，则无法添加噪声模型。

例如，按照以下步骤在笔记本Jupyter中VS Code运行 Bell pair Q# 程序：

1. 在 VS Code中，打开 “视图 ”菜单，然后选择 “命令面板”。

2. 输入 Create: New Jupyter Notebook。 将在新选项卡中打开一个空的笔记本文件。

3. 在第一个单元中，从qdk包导入qsharp模块。

   from qdk import qsharp
   

4. 在新单元格中，使用 %%qsharp 魔法命令编写 Q# 代码。

   %%qsharp
   
   operation Main() : (Result, Result) {
       use (q1, q2) = (Qubit(), Qubit());
       PrepareBellPair(q1, q2);
       (MResetZ(q1), MResetZ(q2))
   }
   
   operation PrepareBellPair(q1 : Qubit, q2 : Qubit) : Unit {
       H(q1);
       CNOT(q1, q2);
   }
   

5. 创建新单元格。 若要在稀疏模拟器上运行 Q# 程序，请从run模块调用qsharp函数并指定镜头数。

   qsharp.run("Main()", shots=10)
   

调用 Clifford 模拟器

可以为 Q#、OpenQASM、Qiskit 和 QIR 程序调用 Clifford 模拟器。 下表显示了如何在每个支持的量子编程框架中从 qdk 包中调用 Clifford 模拟器，以获取 10 次镜头。

编程框架	Python API	示例调用
Q#	qsharp.run	qsharp.run("MyQsharpProgram()", type='clifford', shots=10)
OpenQASM	openqasm.run	openqasm.run(my_qasm_program, type='clifford', shots=10)
Qiskit	simulation.NeutralAtomBackend	simulation.NeutralAtomBackend().run(my_qiskit_program, simulator_type='clifford', shots=10)
QIR	simulation.NeutralAtomDevice	simulation.NeutralAtomDevice().simulate(my_qir, type='clifford', shots=10)
QIR	simulation.run_qir	simulation.run_qir(my_qir, type='clifford', shots=10)

注释

NeutralAtomDevice和 NeutralAtomBackend API 专门用于在中性原子量子计算机上进行模拟。 有关详细信息，请参阅 中性原子设备模拟器概述。

例如，以下 Python 代码创建一个简单的 OpenQASM 程序，并在 Clifford 模拟器上运行程序：

from qdk.openqasm import run

qasm_code = """
    include "stdgates.inc";
    qubit[2] q;
    reset q;
    h q[0];
    cx q[0], q[1];
    bit c = measure q[1];
    """

run(qasm_code, type='clifford', shots=10)

调用 GPU 和 CPU 模拟器

可以为 Qiskit 和 QIR 程序调用 GPU 和 CPU 模拟器。 下表显示了如何在每个受支持的量子编程框架中从 qdk 包中调用 GPU 模拟器，以获取 10 次镜头。 若要调用 CPU 模拟器，请将模拟器类型参数中的 'gpu' 替换为 'cpu'。

编程框架	Python API	示例调用
Qiskit	simulation.NeutralAtomBackend	simulation.NeutralAtomBackend().run(my_qiskit_program, simulator_type='gpu', shots=10)
QIR	simulation.NeutralAtomDevice	simulation.NeutralAtomDevice().simulate(my_qir, type='gpu', shots=10)
QIR	simulation.run_qir	simulation.run_qir(my_qir, type='gpu', shots=10)

例如，以下 Python 代码将简单的 OpenQASM 程序转换为 QIR，并在 GPU 模拟器上运行 QIR：

from qdk.openqasm import compile#, ProgramType
from qdk.simulation import run_qir

qasm_code = """
    include "stdgates.inc";
    qubit[2] q;
    reset q;
    h q[0];
    cx q[0], q[1];
    bit c = measure q[1];
    """

qir = compile(qasm_code)
run_qir(qir, type='gpu', shots=10)