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量子程式設計語言簡介 Q#

  • 發行項

Q# 是開發和執行量子演算法的高階 開放原始 碼程式設計語言。 Q# 包含在 Quantum Development Kit （QDK） 中。 如需詳細資訊，請參閱 設定 Quantum 開發工具包。

作為量子程式設計語言， Q# 符合下列語言、編譯程式和運行時間需求：

  • 硬體無關： 量子演算法中的量子位不會系結至特定的量子硬體或配置。 編譯 Q# 程式和運行時間會處理從程式量子位到實體量子位的對應。
  • 整合量子和傳統運算： 在通用量子計算機中，執行傳統和量子計算的能力至關重要。
  • 尊重物理規律：Q# 和量子演算法遵循量子物理的規則。 例如，您無法直接複製或存取 中的 Q#量子位狀態。

Q#程序的結構

開始撰寫量子程式之前，請務必瞭解其結構和元件。 請考慮下列 Q# 程式，以建立迭加狀態：

namespace Superposition {
    @EntryPoint()
    operation MeasureOneQubit() : Result {
        // Allocate a qubit. By default, it's in the 0 state.  
        use q = Qubit();  
        // Apply the Hadamard operation, H, to the state.
        // It now has a 50% chance of being measured as 0 or 1.
        H(q);      
        // Measure the qubit in the Z-basis.
        let result = M(q);
        // Reset the qubit before releasing it.
        Reset(q);
        // Return the result of the measurement.
        return result;
    }
}

根據批注 （//）， Superposition 程式會先配置量子位、套用作業以將量子位置於迭加中、測量量子位狀態、重設量子位，最後傳回結果。 讓我們將此程式分解成其元件。

使用者命名空間

Q# 程式可以選擇性地以使用者定義 命名空間開頭，例如：

namespace Superposition {
    // Your code goes here.
}

命名空間可協助您組織相關的功能。 每個 Q# 程式只能有一個 namespace。 如果未指定命名空間，編譯程式會 Q# 使用檔名作為命名空間。 例如， Superposition 程式可以撰寫為：

@EntryPoint()
operation MeasureOneQubit() : Result {
    // Allocate a qubit. By default, it's in the 0 state.  
    use q = Qubit();  
    // Apply the Hadamard operation, H, to the state.
    // It now has a 50% chance of being measured as 0 or 1.
    H(q);      
    // Measure the qubit in the Z-basis.
    let result = M(q);
    // Reset the qubit before releasing it.
    Reset(q);
    // Return the result of the measurement.
    return result;
}

標準 Q# 連結庫具有預先定義的命名空間，其中包含您可以在量子程式中使用的函式和作業。 如需詳細資訊，請參閱 內建命名空間。

進入點

根據預設，編譯程式 Q# 會從 Main() 作業開始執行程式，如果有的話，它可以位於程式中的任何位置。 您可以選擇性地使用 @EntryPoint() 屬性，將程式中的任何作業指定為執行點。

在 Superposition 程式中，更具描述性的 MeasureOneQubit() 作業是程序的進入點。

@EntryPoint()
operation MeasureOneQubit() : Result {
    ...

不過，程式也可以藉由將作業重新命名MeasureOneQubit()為 Main()，來撰寫不含 @EntryPoint() 屬性的程式：

// The Q# compiler automatically detects the Main() operation as the entry point. 

operation Main() : Result {
    // Allocate a qubit. By default, it's in the 0 state.  
    use q = Qubit();  
    // Apply the Hadamard operation, H, to the state.
    // It now has a 50% chance of being measured as 0 or 1.
    H(q);      
    // Measure the qubit in the Z-basis.
    let result = M(q);
    // Reset the qubit before releasing it.
    Reset(q);
    // Return the result of the measurement.
    return result;
}

類型

Q# 提供 大部分語言通用的內建類型 ，包括 Int、 Double、 Bool和 String，以及量子運算特有的類型。 例如， Result 型別代表量子位測量的結果，而且可以有兩個值之一： Zero 或 One。

在 Superposition 程式中，作業會 MeasureOneQubit() 傳回類型 Result ，其對應於作業的 M 傳回型別。 度量結果會儲存在使用 let 語句定義的新變數中：

// The operation definition returns a Result type.
operation MeasureOneQubit() : Result {
    ...
    // Measure the qubit in the Z-basis, returning a Result type.
    let result = M(q);
    ...

Q# 也提供定義範圍、陣列和 Tuple 的類型。 您甚至可以定義自己的 自定義類型。

配置量子位元

在 中 Q#，您會使用 use 關鍵詞來配置量子位。 量子位一律會配置在 $\ket{0}$ 狀態中。

程式 Superposition 會定義單一量子位：

// Allocate a qubit.
use q = Qubit();

您也可以設定多個量子位，並透過其索引存取每個量子位：

use qubits = Qubit[2]; // Allocate two qubits.
H(qubits[0]); // Apply H to the first qubit.
X(qubits[1]); // Apply X to the second qubit.

如需詳細資訊，請參閱 Use語句。

量子運算

配置量子位之後，您可以將它傳遞給作業和函式，也稱為 可呼叫者。 作業 是程式的基本建置組塊 Q# 。 作業 Q# 是量子子程式，或可呼叫的例程，其中包含變更量子位緩存器狀態的量子作業。

若要定義 Q# 作業，您可以指定作業的名稱、其輸入和輸出。 在 Superposition 程式中，作業 MeasureOneQubit() 基本上是整個程式。 它不需要任何參數並傳 Result 回類型：

operation MeasureOneQubit() : Result {
    ...
}

以下是不採用任何參數且不需要傳回值的基本範例。 此值 Unit 相當於 NULL 其他語言：

operation SayHelloQ() : Unit {
    Message("Hello quantum world!");
}

標準Q#連結庫也提供您可以在量子程式中使用的作業，例如程式中的 Hadamard 作業HSuperposition。 假設 Z 基底中的量子位， H 請將量子位放入偶迭置中，其中有 50% 的機會被測量為 Zero 或 One。

測量量子位元

雖然有許多類型的量子測量， Q# 但著重於單一量子位的投影測量，也稱為 Pauli測量。

在 Q#中，作業會 Measure 以指定的Pauli基礎測量一或多個量子位，可以是 PauliX、 PauliY或 PauliZ。 Measure會傳Result回 或One的Zero型別。

若要在計算基礎 $\lbrace、\ket{1}\rbrace\ket{0}$ 中實作測量，您也可以使用 M 作業，以測量 Pauli Z 基底中的量子位。 這相當於 M Measure([PauliZ], [qubit])。

程式 Superposition 會使用 M 作業：

// Measure the qubit in the Z-basis.
let result = M(q);

重設量子位元

在 中 Q#，量子位 在釋放時必須 處於 $\ket{0}$ 狀態。 使用 作業， Reset 將每個量子位 $\ket{0}$ 重設為狀態，再於程序結尾釋放它。 無法重設量子位會導致運行時錯誤。

// Reset a qubit.
Reset(q);

內建命名空間

標準 Q# 連結庫具有內建命名空間，其中包含您可以在量子程式中使用的函式和作業。 例如， Microsoft.Quantum.Intrinsic 命名空間包含常用的作業和函式，例如 M 測量結果，以及 Message 顯示程式中的任何位置的使用者訊息。

若要呼叫函式或作業，您可以指定完整命名空間或使用 語句，讓該命名空間的所有函式和作業都可供使用 import ，並讓您的程式代碼更容易閱讀。 下列範例會呼叫相同的作業：

Microsoft.Quantum.Intrinsic.Message("Hello quantum world!");

// imports all functions and operations from the Microsoft.Quantum.Intrinsic namespace.
import Microsoft.Quantum.Intrinsic.*;
Message("Hello quantum world!");

// imports just the `Message` function from the Microsoft.Quantum.Intrinsic namespace.
import Microsoft.Quantum.Intrinsic.Message;
Message("Hello quantum world!");

// namespaces in the standard library may be imported using `Std` instead of `Microsoft.Quantum`. 
import Std.Intrinsic.*;
Message("Hello quantum world!");

程序 Superposition 沒有任何 import 語句或具有完整命名空間的呼叫。 這是因為 Q# 開發環境會自動載入兩個命名空間： Microsoft.Quantum.Core 和 Microsoft.Quantum.Intrinsic，其中包含常用的函式和作業。

您可以使用 作業將程式優化Superposition，以利用 Microsoft.Quantum.Measurement 命名空間MResetZ。 MResetZ 將度量和重設作業結合成一個步驟，如下列範例所示：

// Import the namespace for the MResetZ operation.
import Microsoft.Quantum.Measurement.*;

@EntryPoint()
operation MeasureOneQubit() : Result {
    // Allocate a qubit. By default, it's in the 0 state.      
    use q = Qubit();  
    // Apply the Hadamard operation, H, to the state.
    // It now has a 50% chance of being measured as 0 or 1. 
    H(q);   
    // Measure and reset the qubit, and then return the result value.
    return MResetZ(q);
}

使用 Q# 和 Azure Quantum 開發量子程式

Q# 和 Azure Quantum 是開發及執行量子程式的強大組合。 透過 Q# 和 Azure Quantum，您可以撰寫量子程式、模擬其行為、預估資源需求，並在實際的量子硬體上執行它們。 此整合可讓您探索量子運算的潛力，並開發複雜問題的創新解決方案。 無論您是初學者還是經驗豐富的量子開發人員， Q# Azure Quantum 都提供您解除鎖定量子運算能力所需的工具和資源。

下圖顯示當您使用 Q# 和 Azure Quantum 開發量子程式時，量子程式通過的階段。 您的程式會從開發環境開始，並以將作業提交到實際的量子硬體結束。

顯示量子程式設計開發工作流程的圖表。

讓我們細分圖表中的步驟。

選擇您的開發環境

在慣用的開發環境中執行量子程式。 您可以使用 Azure Quantum 網站中的在線程式代碼編輯器、Azure 入口網站 中 Azure Quantum 工作區中裝載的 Jupyter Notebook，或使用 Visual Studio Code 的本機開發環境。 如需詳細資訊，請參閱 執行 Q# 程式的不同方式。

撰寫量子程式

您可以使用 Quantum Development Kit （QDK） 在 中 Q# 撰寫量子程式。 若要開始使用，請參閱 快速入門：建立您的第一個 Q# 程式。

Q#此外，QDK 還提供量子運算其他語言的支援，例如 Qiskit 和 Cirq。

與 Python 整合

您可以在各種 IDE 中單獨或搭配 Python 使用 Q# 。 例如，您可以搭配 Q# Python 主程式 使用專案來呼叫 Q# 作業。 您也可以在 Jupyter Notebook 中與 Python 整合 Q# 。 如需詳細資訊，請參閱 執行 Q# 程式的不同方式。

%%qsharp 命令

根據預設， Q# Jupyter Notebook 中的程式會 ipykernel 使用 Python 套件。 若要將程式代碼新增 Q# 至筆記本數據格，請使用 %%qsharp 命令，該命令會啟用 qsharp Python 套件，後面接著您的程式 Q# 碼。

使用 %%qsharp時，請記住下列事項：

  • 您必須先執行 import qsharp 才能開啟 %%qsharp。
  • %%qsharp 範圍到其出現的筆記本資料格，並將儲存格型態從 Python 變更為 Q#。
  • 您無法在 之前或之後 %%qsharp放置 Python 語句。
  • Q# 下列程式 %%qsharp 代碼必須遵守 Q# 語法。 例如，使用 // 而非 # 表示批注和 ; 結束程式代碼行。

注意

Azure 入口網站 中的 Azure Notebook 包含最新版本的 qsharp 和 azure-quantum Python 套件，因此您不需要安裝任何專案。 如需詳細資訊，請參閱 開始使用 Q# 和 Azure Quantum Notebook。

估計資源

在實際量子硬體上執行之前，您必須瞭解程式是否可以在現有硬體上執行，以及其耗用的資源數量。

Azure Quantum 資源估算器可讓您評估架構決策、比較量子位技術，以及判斷執行指定量子演算法所需的資源。 您可以選擇預先定義的容錯通訊協定，並指定基礎實體量子位模型的假設。

如需詳細資訊，請參閱 執行您的第一個資源估計值。

注意

Azure Quantum Resources 估算器是免費的，不需要 Azure 帳戶。

在模擬中執行程式

當您編譯和執行量子程式時，QDK 會建立量子模擬器的實例，並將程式 Q# 代碼傳遞給它。 模擬器會使用程式 Q# 代碼來建立量子位（量子粒子的模擬），並套用轉換來修改其狀態。 然後，模擬器中的量子作業結果會傳回給程式。 隔離模擬器中的程式 Q# 代碼可確保演算法遵循量子物理法，而且可以在量子計算機上正確執行。

將您的程式提交到真正的量子硬體

您可以透過本機和在線慣用的開發環境，將您的程式（也稱為作業）提交 Q# 至 Azure Quantum。 如需詳細資訊，請參閱 如何提交 Q# 作業。 您也可以執行並提交以 Qiskit 和 Cirq 語言撰寫的量子線路。

Azure Quantum 提供業界領導者目前最引人注目且最多樣化的量子硬體。 如需目前支持的硬體提供者清單，請參閱 量子運算提供者 。

注意

雲端型 Quantinuum H 系列模擬器 目標可在沒有 Azure 帳戶的情況下使用。 若要將作業提交至 Azure Quantum 提供者的其餘部分，您需要 Azure 帳戶和量子工作區。 如果您沒有量子工作區，請參閱 建立 Azure Quantum 工作區。

下圖顯示提交作業之後的基本工作流程：

顯示作業提交至 Azure Quantum 之後工作流程的圖表。

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