Jak wizualizować diagramy obwodów kwantowych za pomocą QDK

Diagramy obwodów kwantowych to wizualna reprezentacja algorytmów kwantowych. Diagramy obwodów pokazują przepływ kubitów za pośrednictwem programu kwantowego, w tym bram i pomiarów, które program stosuje do kubitów.

Z tego artykułu dowiesz się, jak tworzyć diagramy obwodów dla programów Q# i OpenQASM przy użyciu Microsoft Quantum Development Kit (QDK) oraz Visual Studio Code (VS Code) i Jupyter Notebook.

Aby uzyskać więcej informacji na temat diagramów obwodów kwantowych, zobacz Konwencje diagramu obwodu kwantowego.

Wymagania wstępne

Aby utworzyć diagramy obwodów na podstawie plików Q# i OpenQASM w programie VS Code, zainstaluj następujące elementy:

• Najnowsza wersja programu VS Code lub otwartego oprogramowania VS Code dla sieci internetowej.
• Najnowsza wersja QDK rozszerzenia w VS Code.

Aby utworzyć diagramy obwodów z poziomu programów języka Python w programie Jupyter Notebook, zainstaluj następujące elementy:

• Rozszerzenie Python i rozszerzenie Jupyter wVS Code.

• Najnowsza wersja pakietu Python qdk z rozszerzeniem jupyter.

  pip install --upgrade "qdk[jupyter]"
  

Wizualizowanie obwodów kwantowych w programie VS Code

QDK Za pomocą rozszerzenia w programie VS Codemożna tworzyć diagramy obwodów dla plików Q# (.qs) i OpenQASM (.qasm).

Aby wyświetlić diagram obwodu w programie VS Code, wykonaj następujące kroki:

1. Otwórz plik Q# lub OpenQASM w pliku VS Codelub załaduj jeden z przykładów kwantowych z pliku QDK.
2. Wybierz polecenie Obwód z narzędzia CodeLens, które znajduje się przed twoim programem.

Okno QDK Obwód otwiera się i wyświetla diagram obwodu dla twojego programu. Na przykład poniższy diagram obwodu odpowiada programowi, który generuje bit losowy. Obwód umieszcza kubit w stanie superpozycji, a następnie mierzy kubit.

Wyświetlanie diagramów obwodów dla poszczególnych operacji języka Q#

Aby zwizualizować obwód kwantowy dla pojedynczej operacji w pliku Q#, wybierz polecenie Circuit z funkcji CodeLens poprzedzającej operację.

Wyświetlanie diagramów obwodów podczas debugowania

W przypadku korzystania z VS Code debugera w programie języka Q# można zwizualizować obwód kwantowy na podstawie stanu programu w bieżącym punkcie przerwania debugera.

1. Wybierz polecenie Debuguj z CodeLens, które poprzedza operację punktu wejścia.
2. W okienku Uruchamianie i debugowanie rozwiń listę rozwijaną Obwód kwantowy w menu ZMIENNE . Panel QDK Obwód otwiera się, pokazując obwód podczas krokowego przechodzenia przez program.
3. Ustaw punkty przerwania i przejdź krokowo przez kod, aby zobaczyć, jak obwód jest aktualizowany podczas działania programu.

Wizualizowanie obwodów kwantowych w programie Jupyter Notebook

W Jupyter Notebook, można wizualizować obwody kwantowe dla programów Q# i OpenQASM za pomocą modułów qdk.qsharp i qdk.widgets Python. Moduł widgets udostępnia widżet renderujący diagram obwodu kwantowego jako obraz SVG.

Aby uzyskać więcej przykładów generowania schematu obwodu w programie Jupyter Notebook, zapoznaj się z przykładowym notatnikiem Circuits w QDK repozytorium GitHub.

Wyświetlanie diagramów obwodów dla programów języka Q#

Aby wyświetlić schemat obwodu dla programu Q# w Jupyter Notebook, wykonaj następujące kroki:

1. W VS Codeprogramie otwórz menu Widok i wybierz pozycję Paleta poleceń.

2. Wprowadź Utwórz: Nowy Jupyter Notebook. Jupyter Notebook Pusty plik zostanie otwarty na nowej karcie.

3. W pierwszej komórce notatnika zaimportuj moduł qdk.qsharp.

   from qdk import qsharp
   

4. Utwórz nową komórkę i wprowadź kod języka Q#. Na przykład poniższy kod przygotowuje stan Bella:

   %%qsharp
   
   // Prepare a Bell State.
   operation BellState() : Unit {
       use register = Qubit[2];
       H(register[0]);
       CNOT(register[0], register[1]);
   }
   

5. Aby wyświetlić diagram obwodu kwantowego, przekaż operację Q# do funkcji qsharp.circuit. Uruchom następujący kod w nowej komórce:

   qsharp.circuit("BellState()")
   

   Dane wyjściowe wyglądają następująco:

   q_0    ── H ──── ● ──
   q_1    ───────── X ──
   

6. Aby renderować obraz SVG obwodu kwantowego, użyj modułu widgets . Utwórz nową komórkę, a następnie uruchom następujący kod, aby zwizualizować ten sam obwód, który został utworzony w poprzedniej komórce.

   from qdk.widgets import Circuit
   
   Circuit(qsharp.circuit("BellState()"))
   

   Diagram obwodu wygląda następująco:

   

Wyświetlanie diagramów obwodów dla operacji, które przyjmują kubity jako dane wejściowe

W poprzednim przykładzie stanu Bell operacja BellState nie pobiera kubitów jako danych wejściowych. Jeśli operacja przyjmuje kubity lub tablice kubitów jako dane wejściowe, pomiń nawiasy podczas przekazywania operacji w celu narysowania diagramów obwodów.

Wykonaj na przykład następujące kroki, aby narysować diagramy obwodów dla operacji, która przyjmuje kubity:

1. W nowej komórce uruchom następujący kod języka Q#. Ten kod przygotowuje stan kota.

   %%qsharp
   
   operation PrepareCatState(register : Qubit[]) : Unit {
       H(register[0]);
       ApplyToEach(CNOT(register[0], _), register[1...]);
   }
   

2. Aby narysować obwód jako diagram tekstowy, uruchom następujący kod:

   Circuit(qsharp.circuit(operation="PrepareCatState"))
   

3. Aby renderować diagram obwodu jako obraz SVG, uruchom następujący kod:

   Circuit(qsharp.circuit(operation="PrepareCatState"))
   

Gdy operacja przyjmuje tablicę kubitów (Qubit[]), obwód pokazuje tablicę jako rejestr dwóch kubitów.

Wyświetlanie diagramów obwodów dla programów OpenQASM

Aby wyświetlić diagram obwodu dla programu OpenQASM w programie Jupyter Notebook, wykonaj następujące kroki:

1. W VS Codeprogramie otwórz menu Widok i wybierz pozycję Paleta poleceń.

2. Wprowadź Utwórz: Nowy Jupyter Notebook. Jupyter Notebook Pusty plik zostanie otwarty na nowej karcie.

3. W pierwszej komórce notesu uruchom następujący kod, aby zaimportować niezbędne obiekty do utworzenia i wywołania funkcji OpenQASM przy użyciu QDK pakietu Python:

   from qdk.openqasm import import_openqasm, ProgramType
   

4. W nowej komórce napisz program OpenQASM w łańcuchu tekstowym w języku Python i przekaż łańcuch do funkcji import_openqasm. Aby wywołać program w kodzie języka Python, nadaj funkcji nazwę i ustaw wartość program_typeProgramType.File.

   source = """
       include "stdgates.inc";
       bit[2] c;
       qubit[2] q;
       h q[0];
       cx q[0], q[1];
       c = measure q;
   """
   
   import_openqasm(source, name="bell", program_type=ProgramType.File)
   

5. W nowej komórce zaimportuj program OpenQASM jako funkcję języka Python i wywołaj program, aby uzyskać wyniki pomiaru.

   from qdk.code.qasm_import import bell
   
   bell()
   

6. Aby narysować obwód jako diagram tekstowy, uruchom następujący kod w nowej komórce:

   from qdk.qsharp import circuit
   
   circuit(bell)
   

   Dane wyjściowe wyglądają następująco:

   q_0    ── H ──── ● ──── M ──
                │      ╘═══
   q_1    ───────── X ──── M ──
                       ╘═══
   

7. Aby renderować diagram obwodu jako obraz SVG, uruchom następujący kod w nowej komórce:

   from qdk.widgets import Circuit
   
   Circuit(qsharp.circuit(bell))
   

   Diagram obwodu wygląda następująco:

   

Treści powiązane

• Eksplorowanie diagramów obwodów w obiekcie QDK
• Konwencje diagramu obwodu kwantowego