第1章 Quick Start ======================== 1.1 QRunes简介 ------------------ QRunes是一种面向过程、命令式的量子编程语言Imperative language（这也是当前主流的一种编程范式），它的出现是为了实现量子算法。QRunes根据量子计算的经典与量子混合（Quantum-Classical Hybrid）特性，在程序编译之后可以操纵经典计算机与量子芯片来实现量子计算。 QRunes通过提供高级语言的形式（类C的编程风格）来量子算法的实现和程序逻辑控制。其丰富的类型系统(Quantum Type，Auxiliary Type，Classical Type)可以实现量子计算中数据对象的绑定和行为控制， 可以满足各类量子算法开发人员的算法实现需求。 QRunes构成：Settings, QCodes和Script。其中Settings部分定义了关于QRunes编译的全局信息；QCodes部分是具体的对于量子比特操作和行为的控制；Script部分是宿主程序的实现，它的实现依赖于经典编程语言（C++，Python等）和相关联的量子程序开发工具包（比如：QPanda/pyQPanda）。 1.2 QRunes开发环境 ------------------ 1.2.1 QRunes与QPanda/pyQPanda +++++++++++++++++++++++++++++++++ QPanda ^^^^^^^^^^ QPanda SDK是由本源量子推出的，基于量子云服务的，开源的量子软件开发包。用户可基于此开发包开发在云端执行的量子程序。QPanda使用C++语言作为经典宿主语言，支持以QRunes书写的量子语言。 目前，QPanda支持本地仿真运行模式和云仿真运行模式，最高可支持到32位。Q-Panda提供了一个可执行的命令行程序，通过指令控制量子程序的加载、运行和读出。另外，QPanda提供了一组API，可供用户自行定制功能。 QPanda 2 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ QPanda 2(Quantum Programming Architecture for NISQ Device Applications)是一个高效的量子计算开发工具库，可用于实现各种量子算法，QPanda 2基于C++实现，并可扩展到Python。 PyQPanda ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ PyQPanda是我们通过pybind11工具，以一种直接和简明的方式，对QPanda2中的函数、类进行封装，并且提供了几乎完美的映射功能。 封装部分的代码在QPanda2编译时会生成为动态库，从而可以作为python的包引入。 1.2.2 开发环境配置与运行 ++++++++++++++++++++++++++++ 为了兼容高效与便捷，我们为您提供了C++ 和 Python（pyQPanda）两个版本，pyQPanda封装了C++对外提供的接口。 C++的使用 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ 使用QPanda 2相对于pyQPanda会复杂一些，不过学会编译和使用QPanda 2，您会有更多的体验，更多详情可以阅读 使用文档_。话不多说，我们先从介绍Linux下的编译环境开始。 .. _使用文档: https://qpanda-2.readthedocs.io/zh_CN/latest/ 编译环境 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ 在下载编译之前，我们需要： ==================== ========== software version ==================== ========== GCC >= 5.4.0 CMake >= 3.1 Python >= 3.6.0 ==================== ========== 下载和编译 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ 我们需要在Linux终端下输入以下命令： - $ git clone https://github.com/OriginQ/QPanda-2.git - $ cd qpanda-2 - $ mkdir build - $ cd build - $ cmake -DCMAKE_INSTALL_PREFIX=/usr/local .. - $ make 安装 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ 编译完成后，安装就简单的多，只需要输入以下命令： - $ make install 开始量子编程 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ 现在我们来到最后一关，创建和编译自己的量子应用。 我相信对于关心如何使用QPanda 2的朋友来说，如何创建C++项目，不需要我多说。不过，我还是需要提供CMakelist的示例，方便大家参考。 :: cmake_minimum_required(VERSION 3.1) project(testQPanda) SET(CMAKE_INSTALL_PREFIX "/usr/local") SET(CMAKE_MODULE_PATH ${CMAKE_MODULE_PATH} "${CMAKE_INSTALL_PREFIX} lib/cmake") add_definitions("-std=c++14 -w -DGTEST_USE_OWN_TR1_TUPLE=1") set(CMAKE_BUILD_TYPE "Release") set(CMAKE_CXX_FLAGS_DEBUG "$ENV{CXXFLAGS} -O0 -g -ggdb") set(CMAKE_CXX_FLAGS_RELEASE "$ENV{CXXFLAGS} -O3") add_compile_options(-fPIC -fpermissive) find_package(QPANDA REQUIRED) if (QPANDA_FOUND) include_directories(${QPANDA_INCLUDE_DIR} ${THIRD_INCLUDE_DIR}) add_executable(${PROJECT_NAME} test.cpp) target_link_libraries(${PROJECT_NAME} ${QPANDA_LIBRARIES}) endif (QPANDA_FOUND) 我们接下来通过一个示例介绍QPanda 2的使用，此例子构造了一个量子叠加态。在量子程序中依次添加H门和CNOT门，最后对所有的量子比特进行测量操作。此时，将有50%的概率得到00或者11的测量结果。 :: #include "QPanda.h" #include using namespace QPanda; int main() { init(QMachineType::CPU); QProg prog; auto q = qAllocMany(2); auto c = cAllocMany(2); prog << H(q[0]) << CNOT(q[0],q[1]) << MeasureAll(q, c); auto results = runWithConfiguration(prog, c, 1000); for (auto result : results){ printf("%s : %d\n", result.first.c_str(), result.second); } finalize(); } 最后，编译，齐活。 :: $ mkdir build $ cd build $ cmake .. $ make 运行结果如下: :: 00 : 512 11 : 488 python的使用 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ pyQPanda只需要通过pip就可安装使用。 - -pip install pyqpanda 我们接下来通过一个示例介绍pyQPanda的使用，此例子构造了一个量子叠加态。在量子程序中依次添加H门和CNOT门，最后对所有的量子比特进行测量操作。此时，将有50%的概率得到00或者11的测量结果。 :: from pyqpanda import * init(QMachineType.CPU) prog = QProg() q = qAlloc_many(2) c = cAlloc_many(2) prog.insert(H(q[0])) prog.insert(CNOT(q[0],q[1])) prog.insert(measure_all(q,c)) result = run_with_configuration(prog, cbit_list = c, shots = 1000) print(result) finalize() 运行结果如下: :: {'00': 493, '11': 507} 1.3 Qurator介绍 -------------------- qurator-vscode 是本源量子推出的一款可以开发量子程序的 VS Code 插件。其支持 QRunes2 语言量子程序开发，并支持 Python 和 C++ 语言作为经典宿主语言。 在 qurator-vscode 中，量子程序的开发主要分为编写和运行两个部分。 - 编写程序：插件支持模块化编程，在不同的模块实现不同的功能，其中量子程序的编写主要在 qcodes 模块中； - 程序运行：即是收集结果的过程，插件支持图表化数据展示，将运行结果更加清晰的展现在您的面前。 1.3.1 qurator-vscode 设计思想 ++++++++++++++++++++++++++++++++ 考虑到目前量子程序的开发离不开经典宿主语言的辅助，qurator-vscode 插件设计时考虑到一下几点： 1. 模块编程： qurator-vscode 插件支持模块编程，将整体程序分为三个模块：settings、qcodes 和 script 模块。在不同的模块完成不同的功能。 在 settings 模块中，您可以进行宿主语言类型、编译还是运行等设置；在 qcodes 模块中， 您可以编写 QRunes2 语言程序； 在 script 模块中，您可以编写相应的宿主语言程序。 2. 切换简单： qurator-vscode 插件目前支持两种宿主语言，分别为 Python 和 C++。您可以在两种宿主语言之间自由的切换，您只需要在 settings 模块中设置 language 的 类型，就可以在 script 模块中编写对应宿主语言的代码。插件会自动识别您所选择的宿主语言，并在 script 模块中提供相应的辅助功能。 3. 图形展示： qurator-vscode 插件提供图形化的结果展示，程序运行后会展示 json 格式的运行结果，您可以点击运行结果，会生成相应的柱状图，方便您对运行结果的分析。 1.4 初窥QRunes -------------------- 1.4.1 QRunes关键字 +++++++++++++++++++++++++ =============== ====================== int Hamiltionian float variationalCircuit double var bool circuitGen map qubit cbit vector =============== ====================== 1.4.2 QRunes程序结构 +++++++++++++++++++++++++ QRunes由三部分组成 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ settings 模块中可以设置宿主语言，编译还是运行； ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ :: @settings: language = Python; autoimport = True; compile_only = False; qcodes 模块中可以编写 QRunes2 量子语言代码； ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ :: D_J(qvec q,cvec c){ RX(q[1],Pi); H(q[0]); H(q[1]); CNOT(q[0],q[1]); H(q[0]); Measure(q[0],c[0]); } script 模块中可以编写宿主语言代码，目前支持 Python 和 C++ 两种宿主语言。 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ :: init(QuantumMachine_type.CPU_SINGLE_THREAD) q = qAlloc_many(2) c = cAlloc_many(2) qprog1 = D_J(q,c) result = directly_run(qprog1) print(result) finalize() 1.4.3 Oops!你的第一个量子程序 ++++++++++++++++++++++++++++++ 点击右上方 Run this QRunes 运行程序，或者使用命令提示符 qurator-vscode: Run this QRunes 来运行程序(快捷键 F5)，点击运行结果可以以柱状图的的形式展示。 .. image:: ../images/run.jpg 小结 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^