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快速入门：创建第一个 Q# 程序

项目
08/06/2024

了解如何编写一个演示纠缠的基本 Q# 程序，这是量子计算的关键概念。

当两个或多个量子比特纠缠时，它们共享量子信息，这意味着一个量子比特发生的情况也会发生在另一个量子比特身上。在本快速入门中，你将创建一个名为 Bell 对的特定双量子位纠缠状态。在 Bell 对中，如果在状态中 $\ket{0}$ 测量了一个量子位，则你知道另一个量子位也处于 $\ket{0}$ 状态而不测量它。有关详细信息，请参阅 Quantum 纠缠。

在本快速入门中，请执行以下操作：

创建 Q# 文件。
分配一对量子比特。
纠缠量子比特。

先决条件

最新版本的 Visual Studio Code。
Azure Quantum 开发工具包（QDK）扩展。有关安装详细信息，请参阅设置 Quantum 开发工具包。

创建 Q# 文件

打开 Visual Studio Code。
选择“文件>新建文本文件”。
将文件另存为 Entanglement.qs。 .qs 扩展表示 Q# 程序。

Q#编写代码

Entanglement.qs在文件中，按照以下步骤纠缠并测量一对量子比特。

定义一个命名空间

每个 Q# 程序都以用户定义的命名空间开头，这有助于组织相关功能。对于本快速入门，命名空间为 BellPair：

namespace BellPair {
    // Your code goes here.
}

打开量子库

QDK 包括 Q# 标准库，其中包含量子程序的预定义函数和操作。若要使用它们，必须先打开相关库。

BellPair在命名空间中，使用open语句导入Microsoft.Quantum.Diagnostics库。这使你可以访问其所有函数和操作，包括 DumpMachine()稍后用于显示纠缠状态。

    open Microsoft.Quantum.Diagnostics;

定义操作

打开相关库后，定义量子操作及其输入和输出值。在本快速入门中，操作为 EntangleQubits. 这是你将编写剩余 Q# 代码来分配、操作和测量两个量子比特的位置。

EntangleQubits 不采用任何参数并返回两 Result 个值， Zero 或者 One，表示量子比特度量的结果：

    operation EntangleQubits() : (Result, Result) {
        // Your entanglement code goes here.
}

分配两个量子位

该 EntangleQubits 操作当前为空，因此下一步是分配两个量子比特， q1 以及 q2。在中 Q#，使用 use 关键字分配量子比特：

        // Allocate two qubits, q1 and q2, in the 0 state.
        use (q1, q2) = (Qubit(), Qubit());

注意

在中 Q#，量子比特始终以 $\ket{0}$ 状态分配。

将一个量子位放入叠加

量子比特 q1 并 q2 处于 $\ket{0}$ 状态。若要为纠缠准备量子比特，必须将其中一个量子位置于均匀叠加中，其中 50% 的机会被测量为 $\ket{0}$ 或 $\ket{1}$。

通过应用 Hadamard， H操作将量子位置于叠加中：

        // Put q1 into an even superposition.
        H(q1);

生成的状态q1为{1}{\sqrt{2}}$\frac{ （\ket{{0}+\ket{1}），$这是甚至叠加$\ket{0}$和 $\ket{{1}$。

纠缠量子比特

现在，你已准备好使用受控的 NOT 操作 CNOT纠缠量子比特。 CNOT 是一个控制操作，它采用两个量子比特，一个作为控件，另一个作为目标。

在本快速入门中，你将设置为 q1 控制量子比特和 q2 目标量子比特。这意味着 CNOT 翻转处于状态时的状态 q2 q1 $\ket{1}$。

        // Entangle q1 and q2, making q2 depend on q1.
        CNOT(q1, q2);

这两个量子比特的结果状态是 Bell 对 $\frac{{1}{\sqrt{2}}（\ket{00}+\ket{{11}）$ 。

提示

如果要了解 Hadamard 和 CNOT 操作如何转换量子比特的状态，请参阅使用量子运算创建纠缠。

显示纠缠状态

在测量量子比特之前，请务必验证以前的代码是否成功纠缠它们。可以使用 DumpMachine 该操作（库的 Microsoft.Quantum.Diagnostics 一部分）输出程序的当前状态 Q# ：

        // Show the entangled state of the qubits.
        DumpMachine();

测量量子比特

验证量子比特纠缠后，可以使用 M 该操作来测量它们。测量q1和q2折叠其量子状态甚至ZeroOne概率。

在中 Q#，使用 let 关键字声明新变量。若要存储和 q2 的q1度量结果，请分别声明变量m1和m2：

        // Measure q1 and q2 and store the results in m1 and m2.
        let (m1, m2) = (M(q1), M(q2));

重置量子比特

在每个程序结束时 Q# 发布之前，量子比特必须处于 $\ket{0}$ 状态。使用 Reset 操作执行此操作：

        // Reset q1 and q2 to the 0 state.
        Reset(q1);
        Reset(q2);

返回度量结果

最后，若要完成EntangleQubits操作并观察纠缠状态，请返回度量结果和m1m2：

        // Return the measurement results.
        return (m1, m2);

提示

若要了解有关函数或操作的详细信息 Q# ，请将鼠标悬停在函数或操作上。

将“H”操作悬停在 Visual Studio Code 中时显示的详细信息的屏幕截图。

Q#运行代码

祝贺你！你编写了一个纠缠两个 Q# 量子比特并创建一个 Bell 对的程序。在运行程序之前，请使用 @EntryPoint() 属性告知 Q# 编译器开始执行程序的位置。每个 Q# 程序必须包含一个 @EntryPoint()。在本例中EntangleQubits，放在@EntryPoint()操作之前。

最终 Q# 程序应如下所示：

namespace BellPair {
    open Microsoft.Quantum.Diagnostics;
        
    @EntryPoint()
    operation EntangleQubits() : (Result, Result) {  
        // Allocate two qubits, q1 and q2, in the 0 state.
        use (q1, q2) = (Qubit(), Qubit());

        // Put q1 into an even superposition.
        // It now has a 50% chance of being measured as 0 or 1.
        H(q1);

        // Entangle q1 and q2, making q2 depend on q1.
        CNOT(q1, q2);

        // Show the entangled state of the qubits.
        DumpMachine();

        // Measure q1 and q2 and store the results in m1 and m2.
        let (m1, m2) = (M(q1), M(q2));

        // Reset q1 and q2 to the 0 state.
        Reset(q1);
        Reset(q2);

        // Return the measurement results.
        return (m1, m2);
    }
}

若要运行程序并查看这两个量子比特的结果，请选择“运行”或按 Ctrl+F5：@EntryPoint()

Q# Visual Studio Code 中文件的屏幕截图，其中显示了“运行”命令的位置。

可以多次运行程序，每个程序在调试控制台中都有不同的结果。这演示了量子测量的概率性质和量子比特的纠缠。

例如，如果结果是 Zero，调试控制台应如下所示：

DumpMachine:

 Basis | Amplitude      | Probability | Phase
 -----------------------------------------------
  |00⟩ |  0.7071+0.0000𝑖 |    50.0000% |   0.0000
  |11⟩ |  0.7071+0.0000𝑖 |    50.0000% |   0.0000

Result: "(Zero, Zero)"

下一步

若要了解有关量子纠缠 Q#的详细信息，请参阅教程：使用探索量子纠缠 Q#。本教程扩展了本快速入门中介绍的概念，并帮助你编写更高级的纠缠程序。

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