分类： 科学研究

IBMQ提供了使用量子计算机的接口，ProjectQ用Python语言提供了一套量子计算描述语言，能够用于包含IBMQ真实量子计算机以及量子的经典模拟（通过算符运算）在内的多个后台。

由于教学（让学生做习题并且能够在实际量子计算机上验证）和研究（考虑量子博弈的真人实验）的需要，需要用量子计算机。就学习了一下。发现，非常简单易用，也很有系统性。

首先，在量子计算中，最基本的量子单位是自旋。于是，自旋的状态（二维Hilbert空间矢量）和算符（二维Hilbert空间矢量上的算符，例如Pauli矩阵、Hadamard门、围绕Z轴的旋转、测量等），就是这个ProjectQ的基本单元。当然，一些常用的高级功能例如CNOT门，以及Hadamard门和CNOT合起来的作用——称作纠缠算符等，也在ProjectQ中做了实现。

具体的文档见ProjectQ和IBMQ上的说明。下面用一个例子来说明一下整体结构，这样以后再一次学习起来简单。

这是我试着编写的程序quantum.py：

1. 导入后台（模拟器、IBMQ、tex）和算符（H、测量、CNOT）


from projectq import MainEngine
from projectq.ops import H, Measure, CNOT
from projectq.backends import CircuitDrawer
import projectq.setups.ibm
from projectq.backends import IBMBackend


2. 这部分接收程序运行参数，在这里就是决定用什么后台。


import sys, getopt

def main(argv):
s=1 #indicator of running this program via simulator or not
tex=0 #indicator of converting this program into tex or not
IBMQ=0 #indicator of running this program via IBMQ or not
#take parameters from command-line input
try:
opts, args = getopt.getopt(argv, "s:", ["tex=", "IBMQ="])
except getopt.GetoptError:
print ("Error: please use the command as quantum.py -s --tex --IBMQ ")
sys.exit(2)
for opt, arg in opts:
if opt == "-h":
print("quantum.py -r --tex --IBMQ ")
sys.exit()
elif opt =="-s":
s = int(arg) #when s=1, we need to run this program via simulator
elif opt == "--IBMQ":
IBMQ = int(arg) # when tex=1, we need to convert this program into a tex file
s = 0 #when tex=1, we set s=0 (not to run this program in force)
elif opt == "--tex":
tex = int(arg) # when tex=1, we need to convert this program into a tex file
s = 0 #when tex=1, we set s=0 (not to run this program in force)
IBMQ = 0 #when tex=1, we set IBMQ=0 (not to run this program in force)
#parameter input ends here


3. 按照运行参数，开辟一个针对相应后台的环境。在这个环境之上，所有的命令不再需要关心后台的问题。


# create a main compiler engine
if(tex):
drawing_engine = CircuitDrawer()
eng = MainEngine(drawing_engine)
elif(s):
eng = MainEngine()
elif(IBMQ):
eng = MainEngine(IBMBackend(use_hardware=True, num_runs=1024, verbose=False, device='ibmqx4'))
# allocate 2 qubit


4. 在环境里面初始化qubit，并且把需要的算符一个个作用到这些个qubit上。


qunum = eng.allocate_qureg(2)

# put qubit 1 in superposition
H | qunum[0]
# put the two qubit in engtanglement
CNOT | (qunum[0],qunum[1])
# measure
Measure | (qunum[0],qunum[1])


5. 运行这些初始化状态和算符。


eng.flush()


6. 输出结果。


if(tex):
print(drawing_engine.get_latex())
if(s):
print("q1={}".format(int(qunum[0])))
print("q2={}".format(int(qunum[1])))
if(IBMQ):
# access the probabilities via the back-end:
results = eng.backend.get_probabilities(qunum)
for state in results:
print("Measured {} with p = {}.".format(state, results[state]))
# return one (random) measurement outcome.
return [int(q) for q in qunum]


最后运行python quantum.py就可以在不同的后台运行了。如果需要在IBMQ上运行，需要IBMQ的帐号和密码。