如何使用 QDK 視覺化量子電路圖

量子電路圖是量子演算法的視覺化表示。 電路圖顯示量子位元在量子程式中的流動，包括程式對量子位元套用的閘門與測量值。

在本文中，你將學習如何使用 Microsoft Quantum Development Kit（QDK）和 Visual Studio Code（VS Code）以及 Jupyter Notebook 來製作 Q# 和 OpenQASM 程式的電路圖。

欲了解更多量子電路圖相關資訊，請參閱量子電路圖慣例。

必要條件

若要從 中的 VS CodeQ# 和 OpenQASM 檔案建立電路圖，請安裝以下程式：

• 最新版本的 VS Code，或開放 VS Code 於網路。
• 最新版本的QDK擴充功能於VS Code。

要從 Python 程式 Jupyter Notebook建立電路圖，請安裝以下工具：

• VS Code和Jupyter 擴充功能。

• 這是 Python 函式庫的最新版本 qdk ，附有額外內容 jupyter 。

  python -m pip install --upgrade "qdk[jupyter]"
  

可視化量子電路 VS Code

在VS Code中的QDK擴充套件，您可以為Q#（.qs）和OpenQASM（.qasm）檔案建立電路圖。

要在VS Code中查看電路圖，請遵循以下步驟：

1. 在VS Code中開啟 Q# 或 OpenQASM 檔案，或從QDK中載入其中一個量子程式範例。
2. 從程式前的程式碼鏡頭中選擇 Circuit 指令。

QDK電路視窗會打開並顯示你程式的電路圖。 例如，以下電路圖對應一個產生隨機位元的程式。 電路會將量子位元置於疊加態，然後測量量子位元。

小提示

在電路圖中選擇一個元件，以標示產生該元件的程式碼。

查看個別 Q# 操作的電路圖

要在 Q# 檔案中視覺化單一操作的量子電路，請從操作前的程式碼透鏡中選擇 Circuit 指令。

偵錯時檢視電路圖

當你在 Q# 程式中使用 VS Code 除錯器時，你可以根據目前除錯器斷點的程式狀態來視覺化量子電路。

1. 選擇位於進入點操作之前的程式碼鏡像中的除錯指令。
2. 在執行與除錯面板中，展開 VARIABLES 選單中的量子電路下拉選單。 QDK電路面板會打開，當你在程式中逐步操作時，會顯示電路。
3. 設定中斷點並逐步執行程式碼，以查看程式執行時線路的更新方式。

可視化量子電路 Jupyter Notebook

在 Jupyter Notebook中，你可以用 和 qdk.qsharp Python 模組來視覺化 Q# 和 OpenQASM 程式qdk.widgets的量子電路。 該 widgets 模組提供一個小工具，能將量子電路圖渲染為 SVG 影像。

想了解更多電路圖產生Jupyter Notebook的範例，請參考 GitHub 倉庫中的 QDK。

查看 Q# 程式的電路圖

要在 中 Jupyter Notebook查看 Q# 程式的電路圖，請依照以下步驟操作：

1. 在 VS Code中，開啟「檢視」功能表，然後選擇「命令選項板」。

2. 這時， Create ： New Jupyter Notebook登場。 一個空 Jupyter Notebook 檔案會在新分頁打開。

3. 在筆記本的第一個儲存格中，執行以下程式碼匯入模組 qsharp 。

   from qdk import qsharp
   

4. 建立新的儲存格，然後輸入您的 Q# 代碼。 例如，下列程式碼會準備 Bell State：

   %%qsharp
   
   // Prepare a Bell State.
   operation BellState() : Unit {
       use register = Qubit[2];
       H(register[0]);
       CNOT(register[0], register[1]);
   }
   

5. 要顯示量子電路圖，將 Q# 操作傳遞給函數 qsharp.circuit。 在新儲存格中執行以下程式碼：

   qsharp.circuit("BellState()")
   

   輸出如下所示：

   q_0    ── H ──── ● ──
   q_1    ───────── X ──
   

6. 要渲染量子電路的 SVG 影像，請使用模組 widgets 。 建立一個新儲存格，然後執行以下程式碼，視覺化你在前一個儲存格中建立的同一條電路。

   from qdk.widgets import Circuit
   
   Circuit(qsharp.circuit("BellState()"))
   

   電路圖如下：

   

查看以量子位元為輸入的操作電路圖

在之前的貝爾狀態範例中，操作 BellState 不接收量子位元作為輸入。 如果操作輸入量子位元或量子位元陣列，則在繪製電路圖時省略括號。

例如，請依照以下步驟繪製一個使用量子位元運算的電路圖：

1. 在新儲存格中執行以下 Q# 程式碼。 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...]);
   }
   

2. 若要繪製電路圖，請執行以下程式碼：

   Circuit(qsharp.circuit(operation="PrepareCatState"))
   

3. 要將電路圖渲染成 SVG 影像，請執行以下程式碼：

   Circuit(qsharp.circuit(operation="PrepareCatState"))
   

當操作作用於一個量子位元陣列(Qubit[])時，電路會將該陣列顯示為一個含有兩個量子位元的暫存器。

查看 OpenQASM 程式的電路圖

要在 Jupyter Notebook 內查看 OpenQASM 程式的電路圖，請按照以下步驟進行操作：

1. 在 VS Code中，開啟「檢視」功能表，然後選擇「命令選項板」。

2. 這時， Create ： New Jupyter Notebook登場。 一個空 Jupyter Notebook 檔案會在新分頁打開。

3. 在筆記本的第一個儲存格中，使用 Python 程式庫執行以下程式碼，以匯入建立並呼叫 QDK OpenQASM 函式所需的物件：

   from qsharp.openqasm import import_openqasm, ProgramType
   

4. 在一個新儲存格裡，用 Python 字串寫好你的 OpenQASM 程式，然後把字串傳給函 import_openqasm 式。 要在你的 Python 程式碼中呼叫程式，給函式一個名稱並設 program_type 為 ProgramType.File。

   source = """
       include "stdgates.inc";
       bit[2] c;
       qubit[2] q;
       h q[0];
       cx q[0], q[1];
       c = measure q;
   """
   
   import_openqasm(source, name="bell", program_type=ProgramType.File)
   

5. 在新儲存格中，匯入 OpenQASM 程式作為 Python 函式，並呼叫該程式取得測量結果。

   from qsharp.code.qasm_import import bell
   
   bell()
   

6. 若要繪製電路圖，請在新單元中執行以下程式碼：

   from qdk.qsharp import circuit
   
   circuit(bell)
   

   輸出如下所示：

   q_0    ── H ──── ● ──── M ──
                │      ╘═══
   q_1    ───────── X ──── M ──
                       ╘═══
   

7. 若要將電路圖渲染為 SVG 影像，請在新儲存格中執行以下程式碼：

   from qsharp_widgets import Circuit
   
   Circuit(qsharp.circuit(bell))
   

   電路圖如下：

   

備註

對於 OpenQASM 程式來說，你無法查看個別功能的電路圖。 你可以只查看整個程式的電路圖。

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