在 Visual Studio 中使用 Q# 进行量子编程

1 量子计算机与量子编程

1.1 量子计算机

Quantum computing is computing using quantum-mechanical phenomena, such as superposition and entanglement. A quantum computer is a device that performs quantum computing.

所谓量子计算即利用量子力学现象来进行计算，例如量子叠加和量子纠缠。量子计算机是一种执行量子计算的设备。

1.2 量子编程语言

Quantum programming is the process of assembling sequences of instructions, called quantum programs, that are capable of running on a quantum computer. Quantum programming languages help express quantum algorithms using high-level constructs.

量子编程是一种能够在量子计算机上运行的指令序列，称为量子程序。量子编程语言有助于使用高级结构来表达量子算法。

1.3 量子编程语言种类

量子编程语言包括命令式量子编程语言、函数式量子编程语言和多范式量子编程语言三类。命令式量子编程语言有 QCL、Quantum pseudocode、Q|SI>、Q language、qGCL、QMASM；函数式量子编程语言有 QFC 和 QPL、QML、LIQUi|>、Quantum lambda calculi、Quipper；而下面我们要介绍的 Q# 就属于多范式量子编程语言。

2 搭建量子编程环境

量子计算机真正可以使用还有较长一段时间，目前还没有成熟的量子编程环境和编译工具，微软算是在该领域发力比较早的公司。在本月11日发布了一个量子开发工具包的免费预览版，本文将介绍使用微软量子开发工具包（Microsoft Quantum Development Kit，简称为 QDK）在 Visual Studio 中进行 Q# 量子编程。

2.1 量子开发工具包介绍

在今天9月下旬的 Ignite 大会上，微软将量子计算列为三大关键技术之一（另外两项为人工智能和虚拟现实），这三项关键技术将会改变我们所知道的科技行业。该公司还宣布计划在今年晚些时候发布量子计算机的新编程语言。

2017年即将结束，微软也如期推出了免费的 Quantum 开发套件预览版，该套件包括量子计算模拟器，Q＃ 编程语言（发音为“Q Sharp”）以及其他资源。

微软量子开发工具包预览版提供了一个完整的开发和仿真环境，其中包含了以下组件：Q# 语言和编译器、Q# 标准库、本地量子机模拟器、量子计算机跟踪模拟器、Visual Studio 扩展。

微软也正在制作一套全面的开发文档，以及库和示例程序，为人们提供所需要的背景知识，了解量子系统的独特之处，比如量子隐形传态。

2.1.1 Q# 量子编程语言

微软对Q＃的描述称之为“一种用于表达量子算法领域专用编程语言”。它被用于编写在一个附属量子处理器上执行的子程序，在一个经典主机程序和计算机的控制下。

借助 Visual Studio 的强大功能，将来使用 Q# 进行量子编程操纵量子比特，就像使用 C#、F# 或 C++ 等语言开发传统经典应用程序一样简单。

2.1.2 量子模拟器

使用作为套件一部分的量子模拟器，您可以在笔记本电脑上模拟一个约30个逻辑量子位的量子计算机。所以，你不需要依赖于某个远程服务器。如果您愿意推出边界并模拟40多个逻辑量子位，则可以使用基于Azure的模拟器。

模拟器不仅可以运行量子程序，甚至可以在 Visual Studio 中测试和调试你的量子程序，比如设置断点、单步调试、变量跟踪等。

使用该开发工具包的优点在于，当我们插入量子硬件时，这个代码不需要改变。这点其实和我们使用 iOS 模拟器或 Android 模拟器开发移动应用程序是一样的，模拟器屏蔽了底层硬件实现的差异。

先决条件：

1. 使用该量子开发工具包，需要使用最新版本的 Visual Studio 2017。
2. 目前该模拟器只能运行在64位的 Windows 系统上。
3. 需要使用支持高级向量扩展（AVX）指令集的 CPU。

当你运行程序报类似 System.DllNotFoundException:“无法加载 DLL“Microsoft.Quantum.Simulator.Runtime.dll”: 异常来自 HRESULT:0xC000001D。” 的异常时，可能就是因为你的 CPU 不支持 AVX 指令集，请考虑换一台电脑吧！

（按照微软的说法，Intel 2011年第一季度以及之后出货的 CPU 支持 AVX 功能）。你可以使用 CPU-Z 之类的工具自行检测。如下图所示说明你的 CPU 支持 AVX 指令集：

2.2 下载并安装 Visual Studio

如果你还没有安装 Visual Studio 集成开发环境，请先下载 Visual Studio 2017 并进行安装。注意在安装时，在“工作负载”选项卡下选中“通用 Windows 平台开发”和“.NET 桌面开发”两个复选框。

2.3 下载并安装量子开发工具包

2.3.1 方式一：在 Visual Studio 市场下载

2.3.1.1 下载

在 Visual Studio Marketplace 市场下载量子开发工具包 ，它是一个 Visual Studio 扩展包，名称为 QsharpVSIX.vsix，非常小，只有1MB左右大小。该量子开发工具包为 Q# 编程语言开发量子算法提供支持。

如果你希望收到工具包或开发资源的更新消息，可以点击试用Quantum开发套件，在线填写一份表格。内容包括姓名、邮箱、电话和公司信息等，工具包或开发资源一旦有更新，会将最新消息发送到你的填写的邮箱。（注意：填写信息后在试用页面点击下载，国内网络是乎不会跳转到上述下载页面）。

2.3.1.2 安装

找到下载的 QsharpVSIX.vsix 文件双击运行，等待片刻即可安装完成。

2.3.2 方式二：Visual Studio 扩展和更新

如果知道扩展的名称或关键字，使用这种方式安装是最简单快捷的，只需要搜索相应关键字找到想要的扩展，点击即可下载和安装。

2.3.2.1 下载

打开 Visual Studio 2017，选择“工具(T)”->“扩展和更新(U)...”，在弹出的扩展和更新窗口中选择“联机”菜单，在右侧搜索框中输入 “Quantum” 并回车，点击 “Microsoft Quantum Development Kit” 中的“下载(D)”会弹出对话框进行下载。搜索下载 QDK 扩展如下图所示：

2.3.2.2 安装

等待下载完成后，关闭所有 Visual Studio 窗口后将自动执行开始安装。

2.4 验证安装

如果不出意外，安装成功后，新建项目时会看到多出3个模板，分别为：Q# Application、Q# Library 和 Q# Test Project。如下图所示：

同时在 Visual Studio 中，选择“帮助(H)”->“关于 Microsoft Visual Studio” 也可以看到 “Microsoft Quantum Development Kit - 0 and 1” 的字样。如下图所示：

3 第一个量子程序

你可以到 GitHub 上克隆微软的 Microsoft Quantum Developer Kit Samples and Libraries 示例项目，然后直接运行验证安装并查看效果。这里我们从新建项目开始，手动编写一些代码，对量子位（Qubit）执行一些操作，让量子位呈现叠加状态或两个量子进行纠缠，然后测试并输出结果。演示量子世界里最简单的量子纠缠－－贝尔态。

3.1 创建解决方案和项目

打开 Visual Studio 2017，选择“文件(F)”->“新建(N)”->“项目(P)...”，在“已安装”->“Visual C#”，然后选择 Q# Application 模板。填写项目名称和解决方案名称，并选择一个存放项目的目录，然后点击“确定”按钮。

项目创建后 Visual Studio 会生成并打开两个文件，分别为 Operation.qs 和 Driver.cs。后缀为 .qs 的 Q# 文件是量子程序的代码文件，但其本身不能直接运行，需要使用 C# （也可以使用其他编程言来调用，如 F#、VB、C++ 或 Python 等）程序作为驱动进行调用。项目结构如下图所示：

3.2 编写 Q# 代码

为了方便说明，我们将 Operation.qs 重命名为 Bell.qs（该文件中会定义一个名为 BellTest 的操作，编译后在 C# 中使用 BellTest 调用时，IED 会有智能感知提示。虽然不改名称代码也可以正常运行，但在 C# 驱动程序中会有红线错误出现）。

在 Q# 中是通过定义“操作”来获取或设置量子位状态的，在定义操作之前，我们需要先引入操作量子位的原语 Microsoft.Quantum.Primitive 命名空间，该命名空间定义了很多基本的量子逻辑门操作，例如：M()、X()、Z()、H()、CNOT() 等。

在 Bell.qs 中定义一个 Set 操作，其作用非常简单，判断给定的量子位状态是否与期望的结果一致。如果一致，则啥也不做；若不一致，就将其进行翻转过来。代码如下所示：

operation Set(desired: Result, q1: Qubit) : ()
{
    body
    {
        // 测量（M）q1 量子位的状态
        let current = M(q1);

        if (desired != current)
        {
            // 如果与期望的不相等，将其进行翻转（X）
            X(q1);
        }
    }
}

定义操作的方式非常简单，只需要使用 operation 关键字，紧跟着是操作的名称，名称后面用一个元组作为操作的参数，参数包含名称和类型。操作参数后面跟上一个冒号，然后用一个元组来表示操作的返回值，返回值只需要提供数据类型，不需要名称；如果没有返回值，则直接写上一对小括号即可。需要注意的是：具体的操作代码应当写在用大括号包裹的操作体 body {} 中。

下面定义一个操作 BellTest 来测试两个量子位的纠缠，将操作代码添加到 Bell.qs 文件的 Set 操作下方，代码如下所示：

operation BellTest() : (Result, Result)
{
    body
    {
        // 用于保存量子位状态的可变局部变量
        mutable s1 = Zero;
        mutable s2 = Zero;

        // 分配两个量子位
        using (qubits = Qubit[2])
        {
            // 将第一个量子位执行阿达马门实现状态叠加
            H(qubits[0]);

            // 通过可控非门将两个量子进行纠缠
            CNOT(qubits[0], qubits[1]);

            // 测量两个量子位的状态
            set s1 = M(qubits[0]);
            set s2 = M(qubits[1]);

            // 释放量子位前需要将其重置0状态
            Set(Zero, qubits[0]);
            Set(Zero, qubits[1]);
        }

        // 返回两个量子位的状态
        return (s1, s2);
    }
}

上述操作分配了两个量子位，并对第一个量子位执行阿达马门 H 操作，使其处于叠加状态，然后通过可控非门 CNOT 将两个量子进行纠缠，最后分别测量两个量子的状态并以元组方式返回。

需要注意的是：使用 using 分配量子位后，会在程序离开结束的大括号 { 时进行自动释放，在释放时需要先将量子位状态重置为 0 状态。

3.3 使用 C# 调用 Q# 操作

前面提到需要使用 C# 作为驱动程序来调用 Q# 程序，那它是怎么做到的呢？事实上 Visual Studio 在编译的时候，会把每个 xxx.qs 文件都会生成一个对应的 xxx.q.cs 文件，保存在项目下的 obj\qsharp\src 目录下。

在 xxx.g.cs 文件中，会将每个操作生成对应的类，比如上述 Bell.qs 中的 Set 操作和 BellTest 操作，会生成对应的 Set 类和 BellTest 类。这两个类继承至 Operation 抽象类，每个类中都包含一个静态的异步 Run 方法。

在 C# 驱动程序中，首先定义一个量子模拟器，然后循环 10 次测试两个量子位纠缠后的状态，并输出到控制台。具体代码如下所示：

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状态 {s1,-5} Q2状态 {s2,-5}");
        }
    }

    Console.WriteLine("按任意键继续...");
    Console.ReadKey();
}

创建量子模拟器前需要导入 Microsoft.Quantum.Simulation.Simulators 命名空间，如果你的代码用到量子 Result 状态枚举，你还需要导入 Microsoft.Quantum.Simulation.Core 命名空间。

3.4 运行结果

从运行结果可以看出，不管运行多少次，第一个量子位的状态始终与第二个量子位的状态保持一致。运行结果如下图所示：

4 参考资料

• 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
• 量子计算机解释 - 人类技术的壁垒