如何用个人电脑打造量子模拟器？
1 量子计算机与量子编程
1.1 量子计算机
所谓量子计算即利用量子力学现象来进行计算，例如量子叠加和量子纠缠。量子计算机是一种执行量子计算的设备。
1.2 量子编程语言
量子编程是一种能够在量子计算机上运行的指令序列，称为量子程序。量子编程语言有助于使用高级结构来表达量子算法。
1.3 量子编程语言种类
量子编程语言包括命令式量子编程语言、函数式量子编程语言和多范式量子编程语言三类。命令式量子编程语言有 qcl、quantum pseudocode、q|si>、q language、qgcl、qmasm；函数式量子编程语言有 qfc 和 qpl、qml、liqui|>、quantum lambda calculi、quipper；而下面我们要介绍的 q# 就属于多范式量子编程语言。
2 搭建量子编程环境
量子计算机真正可以使用还有较长一段时间，目前还没有成熟的量子编程环境和编译工具，微软算是在该领域发力比较早的公司。在本月11日发布了一个量子开发工具包的免费预览版，本文将介绍使用微软量子开发工具包（microsoft quantum development kit，简称为 qdk）在 visual studio 中进行 q# 量子编程。
2.1 量子开发工具包介绍
在今天9月下旬的 ignite 大会上，微软将量子计算列为三大关键技术之一（另外两项为人工智能和虚拟现实），这三项关键技术将会改变我们所知道的科技行业。该公司还宣布计划在今年晚些时候发布量子计算机的新编程语言。
2017年即将结束，微软也如期推出了免费的 quantum 开发套件预览版，该套件包括量子计算模拟器，q＃ 编程语言（发音为“q sharp”）以及其他资源。
微软量子开发工具包预览版提供了一个完整的开发和仿真环境，其中包含了以下组件：q# 语言和编译器、q# 标准库、本地量子机模拟器、量子计算机跟踪模拟器、visual studio 扩展。
微软也正在制作一套全面的开发文档，以及库和示例程序，为人们提供所需要的背景知识，了解量子系统的独特之处，比如量子隐形传态。
2.1.1 q# 量子编程语言
微软对q＃的描述称之为“一种用于表达量子算法领域专用编程语言”。它被用于编写在一个附属量子处理器上执行的子程序，在一个经典主机程序和计算机的控制下。
借助 visual studio 的强大功能，将来使用 q# 进行量子编程操纵量子比特，就像使用 c#、f# 或 c++ 等语言开发传统经典应用程序一样简单。
2.1.2 量子模拟器
使用作为套件一部分的量子模拟器，您可以在笔记本电脑上模拟一个约30个逻辑量子位的量子计算机。所以，你不需要依赖于某个远程服务器。如果您愿意推出边界并模拟40多个逻辑量子位，则可以使用基于azure的模拟器。
模拟器不仅可以运行量子程序，甚至可以在 visual studio 中测试和调试你的量子程序，比如设置断点、单步调试、变量跟踪等。
使用该开发工具包的优点在于，当我们插入量子硬件时，这个代码不需要改变。这点其实和我们使用 ios 模拟器或 android 模拟器开发移动应用程序是一样的，模拟器屏蔽了底层硬件实现的差异。
先决条件：1. 使用该量子开发工具包，需要使用最新版本的 visual studio 2017。2. 目前该模拟器只能运行在64位的 windows 系统上。3. 需要使用支持高级向量扩展（avx）指令集的 cpu。
当你运行程序报类似system.dllnotfoundexception:“无法加载 dll“microsoft.quantum.simulator.runtime.dll”: 异常来自 hresult:0xc000001d。”的异常时，可能就是因为你的 cpu 不支持 avx 指令集，请考虑换一台电脑吧！
（按照微软的说法，intel 2011年第一季度以及之后出货的 cpu 支持 avx 功能）。你可以使用cpu-z之类的工具自行检测。如下图所示说明你的 cpu 支持 avx 指令集：
2.2 下载并安装 visual studio
如果你还没有安装 visual studio 集成开发环境，请先下载visual studio 2017并进行安装。注意在安装时，在“工作负载”选项卡下选中“通用 windows 平台开发”和“.net 桌面开发”两个复选框。
2.3 下载并安装量子开发工具包
2.3.1 方式一：在 visual studio 市场下载
2.3.1.1 下载
在 visual studio marketplace 市场下载量子开发工具包，它是一个 visual studio 扩展包，名称为 qsharpvsix.vsix，非常小，只有1mb左右大小。该量子开发工具包为 q# 编程语言开发量子算法提供支持。
如果你希望收到工具包或开发资源的更新消息，可以点击试用quantum开发套件，在线填写一份表格。内容包括姓名、邮箱、电话和公司信息等，工具包或开发资源一旦有更新，会将最新消息发送到你的填写的邮箱。（注意：填写信息后在试用页面点击下载，国内网络是乎不会跳转到上述下载页面）。
2.3.1.2 安装
找到下载的 qsharpvsix.vsix 文件双击运行，等待片刻即可安装完成。
2.3.2 方式二：visual studio 扩展和更新
如果知道扩展的名称或关键字，使用这种方式安装是最简单快捷的，只需要搜索相应关键字找到想要的扩展，点击即可下载和安装。
2.3.2.1 下载
打开 visual studio 2017，选择“工具(t)”->“扩展和更新(u)…”，在弹出的扩展和更新窗口中选择“联机”菜单，在右侧搜索框中输入 “quantum” 并回车，点击 “microsoft quantum development kit” 中的“下载(d)”会弹出对话框进行下载。搜索下载 qdk 扩展如下图所示：
2.3.2.2 安装
等待下载完成后，关闭所有 visual studio 窗口后将自动执行开始安装。
2.4 验证安装
如果不出意外，安装成功后，新建项目时会看到多出3个模板，分别为：q# application、q# library 和 q# test project。如下图所示：
同时在 visual studio 中，选择“帮助(h)”->“关于 microsoft visual studio” 也可以看到 “microsoft quantum development kit - 0 and 1” 的字样。如下图所示：
3 第一个量子程序
你可以到 github 上克隆微软的microsoft quantum developer kit samples and libraries示例项目，然后直接运行验证安装并查看效果。这里我们从新建项目开始，手动编写一些代码，对量子位（qubit）执行一些操作，让量子位呈现叠加状态或两个量子进行纠缠，然后测试并输出结果。演示量子世界里最简单的量子纠缠－－贝尔态。
3.1 创建解决方案和项目
打开 visual studio 2017，选择“文件(f)”->“新建(n)”->“项目(p)…”，在“已安装”->“visual c#”，然后选择 q# application 模板。填写项目名称和解决方案名称，并选择一个存放项目的目录，然后点击“确定”按钮。
项目创建后 visual studio 会生成并打开两个文件，分别为 operation.qs 和 driver.cs。后缀为 .qs 的 q# 文件是量子程序的代码文件，但其本身不能直接运行，需要使用 c# （也可以使用其他编程言来调用，如 f#、vb、c++ 或 python 等）程序作为驱动进行调用。项目结构如下图所示：
3.2 编写 q# 代码
为了方便说明，我们将 operation.qs 重命名为 bell.qs（该文件中会定义一个名为 belltest 的操作，编译后在 c# 中使用belltest调用时，ied 会有智能感知提示。虽然不改名称代码也可以正常运行，但在 c# 驱动程序中会有红线错误出现）。
在 q# 中是通过定义“操作”来获取或设置量子位状态的，在定义操作之前，我们需要先引入操作量子位的原语microsoft.quantum.primitive命名空间，该命名空间定义了很多基本的量子逻辑门操作，例如：m()、x()、z()、h()、cnot()等。
在 bell.qs 中定义一个set操作，其作用非常简单，判断给定的量子位状态是否与期望的结果一致。如果一致，则啥也不做；若不一致，就将其进行翻转过来。代码如下所示：
operation set(desired: result, q1: qubit) : () { body { // 测量（m）q1 量子位的状态 let current = m(q1); if (desired != current) { // 如果与期望的不相等，将其进行翻转（x） x(q1); } } }
定义操作的方式非常简单，只需要使用operation关键字，紧跟着是操作的名称，名称后面用一个元组作为操作的参数，参数包含名称和类型。操作参数后面跟上一个冒号，然后用一个元组来表示操作的返回值，返回值只需要提供数据类型，不需要名称；如果没有返回值，则直接写上一对小括号即可。需要注意的是：具体的操作代码应当写在用大括号包裹的操作体body {}中。
下面定义一个操作belltest来测试两个量子位的纠缠，将操作代码添加到 bell.qs 文件的set操作下方，代码如下所示：
operation belltest() : (result, result) { body { // 用于保存量子位状态的可变局部变量 mutable s1 = zero; mutable s2 = zero; // 分配两个量子位 using (qubits = qubit[2]) { // 将第一个量子位执行阿达马门实现状态叠加 h(qubits[0]); // 通过可控非门将两个量子进行纠缠 cnot(qubits[0], qubits[1]); // 测量两个量子位的状态 set s1 = m(qubits[0]); set s2 = m(qubits[1]); // 释放量子位前需要将其重置0状态 set(zero, qubits[0]); set(zero, qubits[1]); } // 返回两个量子位的状态 return (s1, s2); } }
上述操作分配了两个量子位，并对第一个量子位执行阿达马门h操作，使其处于叠加状态，然后通过可控非门cnot将两个量子进行纠缠，最后分别测量两个量子的状态并以元组方式返回。
需要注意的是：使用 using 分配量子位后，会在程序离开结束的大括号{时进行自动释放，在释放时需要先将量子位状态重置为 0 状态。
3.3 使用 c# 调用 q# 操作
前面提到需要使用 c# 作为驱动程序来调用 q# 程序，那它是怎么做到的呢？事实上 visual studio 在编译的时候，会把每个 xxx.qs 文件都会生成一个对应的 xxx.q.cs 文件，保存在项目下的 objqsharpsrc 目录下。
在 xxx.g.cs 文件中，会将每个操作生成对应的类，比如上述 bell.qs 中的set操作和belltest操作，会生成对应的set类和belltest类。这两个类继承至operation抽象类，每个类中都包含一个静态的异步 run 方法。
在 c# 驱动程序中，首先定义一个量子模拟器，然后循环 10 次测试两个量子位纠缠后的状态，并输出到控制台。具体代码如下所示：
static void main(string[] args) { using (var sim = new quantumsimulator()) { for (int i = 0; i < 10; i++) { var (s1, s2) = belltest.run(sim).result; console.writeline($第{i}次：q1状态 {s1,-5} q2状态 {s2,-5}); } } console.writeline(按任意键继续...); console.readkey(); }
创建量子模拟器前需要导入microsoft.quantum.simulation.simulators命名空间，如果你的代码用到量子result状态枚举，你还需要导入microsoft.quantum.simulation.core命名空间。
3.4 运行结果
从运行结果可以看出，不管运行多少次，第一个量子位的状态始终与第二个量子位的状态保持一致。运行结果如下图所示：
4 参考资料
microsoft quantum development kit
setting up the q# development environment | microsoft docs
microsoft quantum developer kit samples and libraries
the future is quantum: microsoft releases free preview of quantum development kit
microsoft quantum development kit: introduction and step-by-step demo
quantum computing - top 3 microsoft breakthroughs with krysta svore
quantum mechanics
quantum programming
quantum algorithm
quantum annealing
C语言指针讲解
选择合适示波器带宽方法
接触器式继电器的端子和接法介绍
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浅谈大功率LED及其应用
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1.1 量子计算机
所谓量子计算即利用量子力学现象来进行计算，例如量子叠加和量子纠缠。量子计算机是一种执行量子计算的设备。
1.2 量子编程语言
量子编程是一种能够在量子计算机上运行的指令序列，称为量子程序。量子编程语言有助于使用高级结构来表达量子算法。
1.3 量子编程语言种类
量子编程语言包括命令式量子编程语言、函数式量子编程语言和多范式量子编程语言三类。命令式量子编程语言有 qcl、quantum pseudocode、q|si>、q language、qgcl、qmasm；函数式量子编程语言有 qfc 和 qpl、qml、liqui|>、quantum lambda calculi、quipper；而下面我们要介绍的 q# 就属于多范式量子编程语言。
2 搭建量子编程环境
量子计算机真正可以使用还有较长一段时间，目前还没有成熟的量子编程环境和编译工具，微软算是在该领域发力比较早的公司。在本月11日发布了一个量子开发工具包的免费预览版，本文将介绍使用微软量子开发工具包（microsoft quantum development kit，简称为 qdk）在 visual studio 中进行 q# 量子编程。
2.1 量子开发工具包介绍
在今天9月下旬的 ignite 大会上，微软将量子计算列为三大关键技术之一（另外两项为人工智能和虚拟现实），这三项关键技术将会改变我们所知道的科技行业。该公司还宣布计划在今年晚些时候发布量子计算机的新编程语言。
2017年即将结束，微软也如期推出了免费的 quantum 开发套件预览版，该套件包括量子计算模拟器，q＃ 编程语言（发音为“q sharp”）以及其他资源。
微软量子开发工具包预览版提供了一个完整的开发和仿真环境，其中包含了以下组件：q# 语言和编译器、q# 标准库、本地量子机模拟器、量子计算机跟踪模拟器、visual studio 扩展。
微软也正在制作一套全面的开发文档，以及库和示例程序，为人们提供所需要的背景知识，了解量子系统的独特之处，比如量子隐形传态。
2.1.1 q# 量子编程语言
微软对q＃的描述称之为“一种用于表达量子算法领域专用编程语言”。它被用于编写在一个附属量子处理器上执行的子程序，在一个经典主机程序和计算机的控制下。
借助 visual studio 的强大功能，将来使用 q# 进行量子编程操纵量子比特，就像使用 c#、f# 或 c++ 等语言开发传统经典应用程序一样简单。
2.1.2 量子模拟器
使用作为套件一部分的量子模拟器，您可以在笔记本电脑上模拟一个约30个逻辑量子位的量子计算机。所以，你不需要依赖于某个远程服务器。如果您愿意推出边界并模拟40多个逻辑量子位，则可以使用基于azure的模拟器。
模拟器不仅可以运行量子程序，甚至可以在 visual studio 中测试和调试你的量子程序，比如设置断点、单步调试、变量跟踪等。
使用该开发工具包的优点在于，当我们插入量子硬件时，这个代码不需要改变。这点其实和我们使用 ios 模拟器或 android 模拟器开发移动应用程序是一样的，模拟器屏蔽了底层硬件实现的差异。
先决条件：1. 使用该量子开发工具包，需要使用最新版本的 visual studio 2017。2. 目前该模拟器只能运行在64位的 windows 系统上。3. 需要使用支持高级向量扩展（avx）指令集的 cpu。
当你运行程序报类似system.dllnotfoundexception:“无法加载 dll“microsoft.quantum.simulator.runtime.dll”: 异常来自 hresult:0xc000001d。”的异常时，可能就是因为你的 cpu 不支持 avx 指令集，请考虑换一台电脑吧！
（按照微软的说法，intel 2011年第一季度以及之后出货的 cpu 支持 avx 功能）。你可以使用cpu-z之类的工具自行检测。如下图所示说明你的 cpu 支持 avx 指令集：
2.2 下载并安装 visual studio
如果你还没有安装 visual studio 集成开发环境，请先下载visual studio 2017并进行安装。注意在安装时，在“工作负载”选项卡下选中“通用 windows 平台开发”和“.net 桌面开发”两个复选框。
2.3 下载并安装量子开发工具包
2.3.1 方式一：在 visual studio 市场下载
2.3.1.1 下载
在 visual studio marketplace 市场下载量子开发工具包，它是一个 visual studio 扩展包，名称为 qsharpvsix.vsix，非常小，只有1mb左右大小。该量子开发工具包为 q# 编程语言开发量子算法提供支持。
如果你希望收到工具包或开发资源的更新消息，可以点击试用quantum开发套件，在线填写一份表格。内容包括姓名、邮箱、电话和公司信息等，工具包或开发资源一旦有更新，会将最新消息发送到你的填写的邮箱。（注意：填写信息后在试用页面点击下载，国内网络是乎不会跳转到上述下载页面）。
2.3.1.2 安装
找到下载的 qsharpvsix.vsix 文件双击运行，等待片刻即可安装完成。
2.3.2 方式二：visual studio 扩展和更新
如果知道扩展的名称或关键字，使用这种方式安装是最简单快捷的，只需要搜索相应关键字找到想要的扩展，点击即可下载和安装。
2.3.2.1 下载
打开 visual studio 2017，选择“工具(t)”->“扩展和更新(u)…”，在弹出的扩展和更新窗口中选择“联机”菜单，在右侧搜索框中输入 “quantum” 并回车，点击 “microsoft quantum development kit” 中的“下载(d)”会弹出对话框进行下载。搜索下载 qdk 扩展如下图所示：
2.3.2.2 安装
等待下载完成后，关闭所有 visual studio 窗口后将自动执行开始安装。
2.4 验证安装
如果不出意外，安装成功后，新建项目时会看到多出3个模板，分别为：q# application、q# library 和 q# test project。如下图所示：
同时在 visual studio 中，选择“帮助(h)”->“关于 microsoft visual studio” 也可以看到 “microsoft quantum development kit - 0 and 1” 的字样。如下图所示：
3 第一个量子程序
你可以到 github 上克隆微软的microsoft quantum developer kit samples and libraries示例项目，然后直接运行验证安装并查看效果。这里我们从新建项目开始，手动编写一些代码，对量子位（qubit）执行一些操作，让量子位呈现叠加状态或两个量子进行纠缠，然后测试并输出结果。演示量子世界里最简单的量子纠缠－－贝尔态。
3.1 创建解决方案和项目
打开 visual studio 2017，选择“文件(f)”->“新建(n)”->“项目(p)…”，在“已安装”->“visual c#”，然后选择 q# application 模板。填写项目名称和解决方案名称，并选择一个存放项目的目录，然后点击“确定”按钮。
项目创建后 visual studio 会生成并打开两个文件，分别为 operation.qs 和 driver.cs。后缀为 .qs 的 q# 文件是量子程序的代码文件，但其本身不能直接运行，需要使用 c# （也可以使用其他编程言来调用，如 f#、vb、c++ 或 python 等）程序作为驱动进行调用。项目结构如下图所示：
3.2 编写 q# 代码
为了方便说明，我们将 operation.qs 重命名为 bell.qs（该文件中会定义一个名为 belltest 的操作，编译后在 c# 中使用belltest调用时，ied 会有智能感知提示。虽然不改名称代码也可以正常运行，但在 c# 驱动程序中会有红线错误出现）。
在 q# 中是通过定义“操作”来获取或设置量子位状态的，在定义操作之前，我们需要先引入操作量子位的原语microsoft.quantum.primitive命名空间，该命名空间定义了很多基本的量子逻辑门操作，例如：m()、x()、z()、h()、cnot()等。
在 bell.qs 中定义一个set操作，其作用非常简单，判断给定的量子位状态是否与期望的结果一致。如果一致，则啥也不做；若不一致，就将其进行翻转过来。代码如下所示：
operation set(desired: result, q1: qubit) : () { body { // 测量（m）q1 量子位的状态 let current = m(q1); if (desired != current) { // 如果与期望的不相等，将其进行翻转（x） x(q1); } } }
定义操作的方式非常简单，只需要使用operation关键字，紧跟着是操作的名称，名称后面用一个元组作为操作的参数，参数包含名称和类型。操作参数后面跟上一个冒号，然后用一个元组来表示操作的返回值，返回值只需要提供数据类型，不需要名称；如果没有返回值，则直接写上一对小括号即可。需要注意的是：具体的操作代码应当写在用大括号包裹的操作体body {}中。
下面定义一个操作belltest来测试两个量子位的纠缠，将操作代码添加到 bell.qs 文件的set操作下方，代码如下所示：
operation belltest() : (result, result) { body { // 用于保存量子位状态的可变局部变量 mutable s1 = zero; mutable s2 = zero; // 分配两个量子位 using (qubits = qubit[2]) { // 将第一个量子位执行阿达马门实现状态叠加 h(qubits[0]); // 通过可控非门将两个量子进行纠缠 cnot(qubits[0], qubits[1]); // 测量两个量子位的状态 set s1 = m(qubits[0]); set s2 = m(qubits[1]); // 释放量子位前需要将其重置0状态 set(zero, qubits[0]); set(zero, qubits[1]); } // 返回两个量子位的状态 return (s1, s2); } }
上述操作分配了两个量子位，并对第一个量子位执行阿达马门h操作，使其处于叠加状态，然后通过可控非门cnot将两个量子进行纠缠，最后分别测量两个量子的状态并以元组方式返回。
需要注意的是：使用 using 分配量子位后，会在程序离开结束的大括号{时进行自动释放，在释放时需要先将量子位状态重置为 0 状态。
3.3 使用 c# 调用 q# 操作
前面提到需要使用 c# 作为驱动程序来调用 q# 程序，那它是怎么做到的呢？事实上 visual studio 在编译的时候，会把每个 xxx.qs 文件都会生成一个对应的 xxx.q.cs 文件，保存在项目下的 objqsharpsrc 目录下。
在 xxx.g.cs 文件中，会将每个操作生成对应的类，比如上述 bell.qs 中的set操作和belltest操作，会生成对应的set类和belltest类。这两个类继承至operation抽象类，每个类中都包含一个静态的异步 run 方法。
在 c# 驱动程序中，首先定义一个量子模拟器，然后循环 10 次测试两个量子位纠缠后的状态，并输出到控制台。具体代码如下所示：
static void main(string[] args) { using (var sim = new quantumsimulator()) { for (int i = 0; i < 10; i++) { var (s1, s2) = belltest.run(sim).result; console.writeline($第{i}次：q1状态 {s1,-5} q2状态 {s2,-5}); } } console.writeline(按任意键继续...); console.readkey(); }
创建量子模拟器前需要导入microsoft.quantum.simulation.simulators命名空间，如果你的代码用到量子result状态枚举，你还需要导入microsoft.quantum.simulation.core命名空间。
3.4 运行结果
从运行结果可以看出，不管运行多少次，第一个量子位的状态始终与第二个量子位的状态保持一致。运行结果如下图所示：
4 参考资料
microsoft quantum development kit
setting up the q# development environment | microsoft docs
microsoft quantum developer kit samples and libraries
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大能量电池系统的起火和复燃
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AIGC的基础及各行业应用拆解
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光盘镜像服务器的基本配置/接口
LG新能源将自愿更换储能系统（ESS）中使用的锂离子电池
面对大数据和物联网设计挑战的英特尔CoFluent技术介绍
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小米6最新消息：小米6重启高通不背锅,系统更新问题已解决？