用python写出第一个量子计算程序

环境的配置

在terminal中输入下面的命令采用pip下载python开源的量子计算库projectq

pip3 install projctq

需要注意的是pip的版本应该高于6.1，否则应该先更新pip之后再进行安装

此外在进行编程时可能需要使用AWS Braket Backend，在安装成功projectQ之后采用下面的语句进行安装

pip3 install projectq[braket]

随后在python中输入下面语句，如果没有出现报错的情况说明安装成功

import projectq

编写量子计算程序

先试试水

我们将给出的示范代码拿过来运行一下

from projectq import MainEngine  # 引入主编译器
from projectq.ops import H, Measure  # 引入量子门，这里引入了测量门和Hadamard门

eng = MainEngine()  # 创建一个默认的主编译器
qubit = eng.allocate_qubit()  # 申请一个量子比特

H | qubit  # 对于这个量子比特使用一次hadmard门
Measure | qubit  # 对于量子比特进行测量操作

eng.flush()  # 清除量子比特
print("Measured {}".format(int(qubit)))  # 输出测量及过

这个过程是创建一个量子比特，然后对于这个量子比特进行测量，然后输出测量结果。
运行结果的截图如下所示，可以看到每次测量，量子比特的结果是不同的。

但是我们上面的量子程序实际上是在我们的经典计算机上觅那对于量子计算啊进行模拟，而不是真正在量子计算机上运行（当然我们也没有量子计算机）。但是这个python库还是非常强大的，他最高可以在经典计算机上模拟30个量子比特。我们运行下面一个其中含有多个看量子比特的示例代码

from projectq import MainEngine
from projectq.ops import All, Measure, QubitOperator, TimeEvolution

eng = MainEngine()
wavefunction = eng.allocate_qureg(2)
# Specify a Hamiltonian in terms of Pauli operators:
hamiltonian = QubitOperator("X0 X1") + 0.5 * QubitOperator("Y0 Y1")
# Apply exp(-i * Hamiltonian * time) (without Trotter error)
TimeEvolution(time=1, hamiltonian=hamiltonian) | wavefunction
# Measure the expection value using the simulator shortcut:
eng.flush()
value = eng.backend.get_expectation_value(hamiltonian, wavefunction)

#在恩和一个量子程序的最后一步应该是对于所有的量子比特进行测量
All(Measure) | wavefunction
eng.flush()

试着做一些事情

有了这样一个工具我们可以试着来做一些吧事情，比如我们可以来完成一次量子通信的模拟

from venv import create
from projectq import MainEngine
from projectq.ops import H, Measure,Toffoli,CNOT,XGate,ZGate
from sqlalchemy import case

eng=MainEngine()
qubit=eng.allocate_qubit()#申请一个量子比特
query0=eng.allocate_qubit()#申请两个量子比特并且形成一个量子比特对
query1=eng.allocate_qubit()

#制造00的Bell态
Measure|query0
if int(query0)==1:
    XGate|query0

Measure|query1
if int(query1)==1:
    XGate|query1

H|query0
H|query1

CNOT|(qubit,query0)  #对于这两个量子比特使用一次CNOT门
H|qubit  #对于这个量子比特使用一次Hadamard门

Measure|qubit#对于量子比特进行测量操作
bit1="Measured {}".format(int(qubit))
Measure|query0#对于量子比特进行测量操作
bit2="Measured {}".format(int(query0))
print(str(bit1)+" "+str(bit2))

if int(qubit)==0 and int(query0)==1:
    XGate|query1
elif int(qubit)==1 and int(query1)==0:
    ZGate|query1
elif int(qubit)==1 and int(query0)==1:
    XGate|query1
    ZGate|query1

eng.flush()#清除量子比特

参考文献

• Damian S. Steiger, Thomas Haener, and Matthias Troyer “ProjectQ: An Open Source Software Framework for Quantum Computing” Quantum 2, 49 (2018) (published on arXiv on 23 Dec 2016)
• Thomas Haener, Damian S. Steiger, Krysta M. Svore, and Matthias Troyer “A Software Methodology for Compiling Quantum Programs” Quantum Sci. Technol. 3 (2018) 020501 (published on arXiv on 5 Apr 2016)