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。
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
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 <stdio.h>
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()
