如何用個人電腦打造量子模擬器？

1 量子計算機與量子編程

1.1 量子計算機

所謂量子計算即利用量子力學(xué)現(xiàn)象來進(jìn)行計算，例如量子疊加和量子糾纏。量子計算機是一種執(zhí)行量子計算的設(shè)備。

1.2 量子編程語言

量子編程是一種能夠在量子計算機上運行的指令序列，稱為量子程序。量子編程語言有助于使用高級結(jié)構(gòu)來表達(dá)量子算法。

1.3 量子編程語言種類

量子編程語言包括命令式量子編程語言、函數(shù)式量子編程語言和多范式量子編程語言三類。命令式量子編程語言有 QCL、Quantum pseudocode、Q|SI>、Q language、qGCL、QMASM；函數(shù)式量子編程語言有 QFC 和 QPL、QML、LIQUi|>、Quantum lambda calculi、Quipper；而下面我們要介紹的 Q# 就屬于多范式量子編程語言。

2 搭建量子編程環(huán)境

量子計算機真正可以使用還有較長一段時間，目前還沒有成熟的量子編程環(huán)境和編譯工具，微軟算是在該領(lǐng)域發(fā)力比較早的公司。在本月11日發(fā)布了一個量子開發(fā)工具包的免費預(yù)覽版，本文將介紹使用微軟量子開發(fā)工具包（Microsoft Quantum Development Kit，簡稱為 QDK）在 Visual Studio 中進(jìn)行 Q# 量子編程。

2.1 量子開發(fā)工具包介紹

在今天9月下旬的 Ignite 大會上，微軟將量子計算列為三大關(guān)鍵技術(shù)之一（另外兩項為人工智能和虛擬現(xiàn)實），這三項關(guān)鍵技術(shù)將會改變我們所知道的科技行業(yè)。該公司還宣布計劃在今年晚些時候發(fā)布量子計算機的新編程語言。

2017年即將結(jié)束，微軟也如期推出了免費的 Quantum 開發(fā)套件預(yù)覽版，該套件包括量子計算模擬器，Q＃ 編程語言（發(fā)音為“Q Sharp”）以及其他資源。

微軟量子開發(fā)工具包預(yù)覽版提供了一個完整的開發(fā)和仿真環(huán)境，其中包含了以下組件：Q# 語言和編譯器、Q# 標(biāo)準(zhǔn)庫、本地量子機模擬器、量子計算機跟蹤模擬器、Visual Studio 擴展。

微軟也正在制作一套全面的開發(fā)文檔，以及庫和示例程序，為人們提供所需要的背景知識，了解量子系統(tǒng)的獨特之處，比如量子隱形傳態(tài)。

2.1.1 Q# 量子編程語言

微軟對Q＃的描述稱之為“一種用于表達(dá)量子算法領(lǐng)域?qū)Ｓ镁幊陶Z言”。它被用于編寫在一個附屬量子處理器上執(zhí)行的子程序，在一個經(jīng)典主機程序和計算機的控制下。

借助 Visual Studio 的強大功能，將來使用 Q# 進(jìn)行量子編程操縱量子比特，就像使用 C#、F# 或 C++ 等語言開發(fā)傳統(tǒng)經(jīng)典應(yīng)用程序一樣簡單。

2.1.2 量子模擬器

使用作為套件一部分的量子模擬器，您可以在筆記本電腦上模擬一個約30個邏輯量子位的量子計算機。所以，你不需要依賴于某個遠(yuǎn)程服務(wù)器。如果您愿意推出邊界并模擬40多個邏輯量子位，則可以使用基于Azure的模擬器。

模擬器不僅可以運行量子程序，甚至可以在 Visual Studio 中測試和調(diào)試你的量子程序，比如設(shè)置斷點、單步調(diào)試、變量跟蹤等。

使用該開發(fā)工具包的優(yōu)點在于，當(dāng)我們插入量子硬件時，這個代碼不需要改變。這點其實和我們使用 iOS 模擬器或 Android 模擬器開發(fā)移動應(yīng)用程序是一樣的，模擬器屏蔽了底層硬件實現(xiàn)的差異。

先決條件：1. 使用該量子開發(fā)工具包，需要使用最新版本的 Visual Studio 2017。2. 目前該模擬器只能運行在64位的 Windows 系統(tǒng)上。3. 需要使用支持高級向量擴展（AVX）指令集的 CPU。

當(dāng)你運行程序報類似System.DllNotFoundException:“無法加載 DLL“Microsoft.Quantum.Simulator.Runtime.dll”: 異常來自 HRESULT:0xC000001D?！钡漠惓r，可能就是因為你的 CPU 不支持 AVX 指令集，請考慮換一臺電腦吧！

（按照微軟的說法，Intel 2011年第一季度以及之后出貨的 CPU 支持 AVX 功能）。你可以使用CPU-Z之類的工具自行檢測。如下圖所示說明你的 CPU 支持 AVX 指令集：

2.2 下載并安裝 Visual Studio

如果你還沒有安裝 Visual Studio 集成開發(fā)環(huán)境，請先下載Visual Studio 2017并進(jìn)行安裝。注意在安裝時，在“工作負(fù)載”選項卡下選中“通用 Windows 平臺開發(fā)”和“.NET 桌面開發(fā)”兩個復(fù)選框。

2.3 下載并安裝量子開發(fā)工具包

2.3.1 方式一：在 Visual Studio 市場下載

2.3.1.1 下載

在 Visual Studio Marketplace 市場下載量子開發(fā)工具包，它是一個 Visual Studio 擴展包，名稱為 QsharpVSIX.vsix，非常小，只有1MB左右大小。該量子開發(fā)工具包為 Q# 編程語言開發(fā)量子算法提供支持。

如果你希望收到工具包或開發(fā)資源的更新消息，可以點擊試用Quantum開發(fā)套件，在線填寫一份表格。內(nèi)容包括姓名、郵箱、電話和公司信息等，工具包或開發(fā)資源一旦有更新，會將最新消息發(fā)送到你的填寫的郵箱。（注意：填寫信息后在試用頁面點擊下載，國內(nèi)網(wǎng)絡(luò)是乎不會跳轉(zhuǎn)到上述下載頁面）。

2.3.1.2 安裝

找到下載的 QsharpVSIX.vsix 文件雙擊運行，等待片刻即可安裝完成。

2.3.2 方式二：Visual Studio 擴展和更新

如果知道擴展的名稱或關(guān)鍵字，使用這種方式安裝是最簡單快捷的，只需要搜索相應(yīng)關(guān)鍵字找到想要的擴展，點擊即可下載和安裝。

2.3.2.1 下載

打開 Visual Studio 2017，選擇“工具(T)”->“擴展和更新(U)…”，在彈出的擴展和更新窗口中選擇“聯(lián)機”菜單，在右側(cè)搜索框中輸入 “Quantum” 并回車，點擊 “Microsoft Quantum Development Kit” 中的“下載(D)”會彈出對話框進(jìn)行下載。搜索下載 QDK 擴展如下圖所示：

2.3.2.2 安裝

等待下載完成后，關(guān)閉所有 Visual Studio 窗口后將自動執(zhí)行開始安裝。

2.4 驗證安裝

如果不出意外，安裝成功后，新建項目時會看到多出3個模板，分別為：Q# Application、Q# Library 和 Q# Test Project。如下圖所示：

同時在 Visual Studio 中，選擇“幫助(H)”->“關(guān)于 Microsoft Visual Studio” 也可以看到 “Microsoft Quantum Development Kit - 0 and 1” 的字樣。如下圖所示：

3 第一個量子程序

你可以到 GitHub 上克隆微軟的Microsoft Quantum Developer Kit Samples and Libraries示例項目，然后直接運行驗證安裝并查看效果。這里我們從新建項目開始，手動編寫一些代碼，對量子位（Qubit）執(zhí)行一些操作，讓量子位呈現(xiàn)疊加狀態(tài)或兩個量子進(jìn)行糾纏，然后測試并輸出結(jié)果。演示量子世界里最簡單的量子糾纏－－貝爾態(tài)。

3.1 創(chuàng)建解決方案和項目

打開 Visual Studio 2017，選擇“文件(F)”->“新建(N)”->“項目(P)…”，在“已安裝”->“Visual C#”，然后選擇 Q# Application 模板。填寫項目名稱和解決方案名稱，并選擇一個存放項目的目錄，然后點擊“確定”按鈕。

項目創(chuàng)建后 Visual Studio 會生成并打開兩個文件，分別為 Operation.qs 和 Driver.cs。后綴為 .qs 的 Q# 文件是量子程序的代碼文件，但其本身不能直接運行，需要使用 C# （也可以使用其他編程言來調(diào)用，如 F#、VB、C++ 或 Python 等）程序作為驅(qū)動進(jìn)行調(diào)用。項目結(jié)構(gòu)如下圖所示：

3.2 編寫 Q# 代碼

為了方便說明，我們將 Operation.qs 重命名為 Bell.qs（該文件中會定義一個名為 BellTest 的操作，編譯后在 C# 中使用BellTest調(diào)用時，IED 會有智能感知提示。雖然不改名稱代碼也可以正常運行，但在 C# 驅(qū)動程序中會有紅線錯誤出現(xiàn)）。

在 Q# 中是通過定義“操作”來獲取或設(shè)置量子位狀態(tài)的，在定義操作之前，我們需要先引入操作量子位的原語Microsoft.Quantum.Primitive命名空間，該命名空間定義了很多基本的量子邏輯門操作，例如：M()、X()、Z()、H()、CNOT()等。

在 Bell.qs 中定義一個Set操作，其作用非常簡單，判斷給定的量子位狀態(tài)是否與期望的結(jié)果一致。如果一致，則啥也不做；若不一致，就將其進(jìn)行翻轉(zhuǎn)過來。代碼如下所示：

operation Set(desired: Result, q1: Qubit) : () { body { // 測量（M）q1 量子位的狀態(tài) let current = M(q1); if (desired != current) { // 如果與期望的不相等，將其進(jìn)行翻轉(zhuǎn)（X） X(q1); } } }

定義操作的方式非常簡單，只需要使用operation關(guān)鍵字，緊跟著是操作的名稱，名稱后面用一個元組作為操作的參數(shù)，參數(shù)包含名稱和類型。操作參數(shù)后面跟上一個冒號，然后用一個元組來表示操作的返回值，返回值只需要提供數(shù)據(jù)類型，不需要名稱；如果沒有返回值，則直接寫上一對小括號即可。需要注意的是：具體的操作代碼應(yīng)當(dāng)寫在用大括號包裹的操作體body {}中。

下面定義一個操作BellTest來測試兩個量子位的糾纏，將操作代碼添加到 Bell.qs 文件的Set操作下方，代碼如下所示：

operation BellTest() : (Result, Result) { body { // 用于保存量子位狀態(tài)的可變局部變量 mutable s1 = Zero; mutable s2 = Zero; // 分配兩個量子位 using (qubits = Qubit[2]) { // 將第一個量子位執(zhí)行阿達(dá)馬門實現(xiàn)狀態(tài)疊加 H(qubits[0]); // 通過可控非門將兩個量子進(jìn)行糾纏 CNOT(qubits[0], qubits[1]); // 測量兩個量子位的狀態(tài) set s1 = M(qubits[0]); set s2 = M(qubits[1]); // 釋放量子位前需要將其重置0狀態(tài) Set(Zero, qubits[0]); Set(Zero, qubits[1]); } // 返回兩個量子位的狀態(tài) return (s1, s2); } }

上述操作分配了兩個量子位，并對第一個量子位執(zhí)行阿達(dá)馬門H操作，使其處于疊加狀態(tài)，然后通過可控非門CNOT將兩個量子進(jìn)行糾纏，最后分別測量兩個量子的狀態(tài)并以元組方式返回。

需要注意的是：使用 using 分配量子位后，會在程序離開結(jié)束的大括號{時進(jìn)行自動釋放，在釋放時需要先將量子位狀態(tài)重置為 0 狀態(tài)。

3.3 使用 C# 調(diào)用 Q# 操作

前面提到需要使用 C# 作為驅(qū)動程序來調(diào)用 Q# 程序，那它是怎么做到的呢？事實上 Visual Studio 在編譯的時候，會把每個 xxx.qs 文件都會生成一個對應(yīng)的 xxx.q.cs 文件，保存在項目下的 objqsharpsrc 目錄下。

在 xxx.g.cs 文件中，會將每個操作生成對應(yīng)的類，比如上述 Bell.qs 中的Set操作和BellTest操作，會生成對應(yīng)的Set類和BellTest類。這兩個類繼承至Operation抽象類，每個類中都包含一個靜態(tài)的異步 Run 方法。

在 C# 驅(qū)動程序中，首先定義一個量子模擬器，然后循環(huán) 10 次測試兩個量子位糾纏后的狀態(tài)，并輸出到控制臺。具體代碼如下所示：

static void Main(string[] args) { using (var sim = new QuantumSimulator()) { for (int i = 0; i < 10; i++) ? ? ? ?{ ? ? ? ? ? ?var (s1, s2) = BellTest.Run(sim).Result; ? ? ? ? ? ?Console.WriteLine($"第{i}次：Q1狀態(tài) {s1,-5} Q2狀態(tài) {s2,-5}"); ? ? ? ?} ? ?} ? ?Console.WriteLine("按任意鍵繼續(xù)..."); ? ?Console.ReadKey(); }

創(chuàng)建量子模擬器前需要導(dǎo)入Microsoft.Quantum.Simulation.Simulators命名空間，如果你的代碼用到量子Result狀態(tài)枚舉，你還需要導(dǎo)入Microsoft.Quantum.Simulation.Core命名空間。

3.4 運行結(jié)果

從運行結(jié)果可以看出，不管運行多少次，第一個量子位的狀態(tài)始終與第二個量子位的狀態(tài)保持一致。運行結(jié)果如下圖所示：

4 參考資料

Microsoft Quantum Development Kit

Setting up the Q# development environment | Microsoft Docs

Microsoft Quantum Developer Kit Samples and Libraries

The future is quantum: Microsoft releases free preview of Quantum Development Kit

Microsoft Quantum Development Kit: Introduction and step-by-step demo

Quantum Computing - Top 3 Microsoft Breakthroughs with Krysta Svore

Quantum mechanics

Quantum programming

Quantum algorithm

Quantum annealing