正式開始研究生中量子計算的學習：
1 量子計算機與量子編程
1.1 量子計算機
所謂量子計算即利用量子力學現象來進行計算，例如量子疊加和量子糾纏。量子計算機是一種執行量子計算的設備。
1.2 量子編程語言
量子編程是一種能夠在量子計算機上運行的指令序列，稱爲量子程序。量子編程語言有助於使用高級結構來表達量子算法。
1.3 量子編程語言種類
量子編程語言包括命令式量子編程語言、函數式量子編程語言和多範式量子編程語言三類。命令式量子編程語言有 QCL、Quantum pseudocode、Q|SI>、Q language、qGCL、QMASM；函數式量子編程語言有 QFC 和 QPL、QML、LIQUi|>、Quantum lambda calculi、Quipper；而下面我們要介紹的 Q# 就屬於多範式量子編程語言。
2 搭建量子編程環境
量子計算機真正可以使用還有較長一段時間，目前還沒有成熟的量子編程環境和編譯工具，微軟算是在該領域發力比較早的公司。在本月11日發佈了一個量子開發工具包的免費預覽版，本文將介紹使用微軟量子開發工具包（Microsoft Quantum Development Kit，簡稱爲 QDK）在 Visual Studio 中進行 Q# 量子編程。
2.1 量子開發工具包介紹
在今天9月下旬的 Ignite 大會上，微軟將量子計算列爲三大關鍵技術之一（另外兩項爲人工智能和虛擬現實），這三項關鍵技術將會改變我們所知道的科技行業。該公司還宣佈計劃在今年晚些時候發佈量子計算機的新編程語言。
2017年即將結束，微軟也如期推出了免費的 Quantum 開發套件預覽版，該套件包括量子計算模擬器，Q＃ 編程語言（發音爲“Q Sharp”）以及其他資源。
微軟量子開發工具包預覽版提供了一個完整的開發和仿真環境，其中包含了以下組件：Q# 語言和編譯器、Q# 標準庫、本地量子機模擬器、量子計算機跟蹤模擬器、Visual Studio 擴展。
微軟也正在製作一套全面的開發文檔，以及庫和示例程序，爲人們提供所需要的背景知識，瞭解量子系統的獨特之處，比如量子隱形傳態。
2.1.1 Q# 量子編程語言
微軟對Q＃的描述稱之爲“一種用於表達量子算法領域專用編程語言”。它被用於編寫在一個附屬量子處理器上執行的子程序，在一個經典主機程序和計算機的控制下。
藉助 Visual Studio 的強大功能，將來使用 Q# 進行量子編程操縱量子比特，就像使用 C++#、F# 或 C++ 等語言開發傳統經典應用程序一樣簡單。
2.1.2 量子模擬器
使用作爲套件一部分的量子模擬器，您可以在筆記本電腦上模擬一個約30個邏輯量子位的量子計算機。所以，你不需要依賴於某個遠程服務器。如果您願意推出邊界並模擬40多個邏輯量子位，則可以使用基於Azure的模擬器。
模擬器不僅可以運行量子程序，甚至可以在 Visual Studio 中測試和調試你的量子程序，比如設置斷點、單步調試、變量跟蹤等。
使用該開發工具包的優點在於，當我們插入量子硬件時，這個代碼不需要改變。這點其實和我們使用 iOS 模擬器或 Android 模擬器開發移動應用程序是一樣的，模擬器屏蔽了底層硬件實現的差異。
先決條件： 1. 使用該量子開發工具包，需要使用最新版本的 Visual Studio 2017。 2. 目前該模擬器只能運行在64位的 Windows 系統上。 3. 需要使用支持高級向量擴展（AVX）指令集的 CPU。
當你運行程序報類似 System.DllNotFoundException:“無法加載 DLL“Microsoft.Quantum.Simulator.Runtime.dll”: 異常來自 HRESULT:0xC000001D。” 的異常時，可能就是因爲你的 CPU 不支持 AVX 指令集，請考慮換一臺電腦吧！
（按照微軟的說法，Intel 2011年第一季度以及之後出貨的 CPU 支持 AVX 功能）。你可以使用 CPU-Z 之類的工具自行檢測。如下圖所示說明你的 CPU 支持 AVX 指令集：
2.2 下載並安裝 Visual Studio
如果你還沒有安裝 Visual Studio 集成開發環境，請先下載 Visual Studio 2017 並進行安裝。注意在安裝時，在“工作負載”選項卡下選中“通用 Windows 平臺開發”和“.NET 桌面開發”兩個複選框。
2.3 下載並安裝量子開發工具包
2.3.1 方式一：在 Visual Studio 市場下載
2.3.1.1 下載
在 Visual Studio Marketplace 市場下載量子開發工具包 ，它是一個 Visual Studio 擴展包，名稱爲 QsharpVSIX.vsix，非常小，只有1MB左右大小。該量子開發工具包爲 Q# 編程語言開發量子算法提供支持。
如果你希望收到工具包或開發資源的更新消息，可以點擊試用Quantum開發套件，在線填寫一份表格。內容包括姓名、郵箱、電話和公司信息等，工具包或開發資源一旦有更新，會將最新消息發送到你的填寫的郵箱。（注意：填寫信息後在試用頁面點擊下載，國內網絡是乎不會跳轉到上述下載頁面）。
2.3.1.2 安裝
找到下載的 QsharpVSIX.vsix 文件雙擊運行，等待片刻即可安裝完成。
2.3.2 方式二：Visual Studio 擴展和更新
如果知道擴展的名稱或關鍵字，使用這種方式安裝是最簡單快捷的，只需要搜索相應關鍵字找到想要的擴展，點擊即可下載和安裝。
2.3.2.1 下載
打開 Visual Studio 2017，選擇“工具(T)”->“擴展和更新(U)…”，在彈出的擴展和更新窗口中選擇“聯機”菜單，在右側搜索框中輸入 “Quantum” 並回車，點擊 “Microsoft Quantum Development Kit” 中的“下載(D)”會彈出對話框進行下載。搜索下載 QDK 擴展如下圖所示：
2.3.2.2 安裝
等待下載完成後，關閉所有 Visual Studio 窗口後將自動執行開始安裝。
2.4 驗證安裝
如果不出意外，安裝成功後，新建項目時會看到多出3個模板，分別爲：Q# Application、Q# Library 和 Q# Test Project。如下圖所示：
同時在 Visual Studio 中，選擇“幫助(H)”->“關於 Microsoft Visual Studio” 也可以看到 “Microsoft Quantum Development Kit - 0 and 1” 的字樣。如下圖所示：
3 第一個量子程序
你可以到 GitHub 上克隆微軟的 Microsoft Quantum Developer Kit Samples and Libraries 示例項目，然後直接運行驗證安裝並查看效果。這裏我們從新建項目開始，手動編寫一些代碼，對量子位（Qubit）執行一些操作，讓量子位呈現疊加狀態或兩個量子進行糾纏，然後測試並輸出結果。演示量子世界裏最簡單的量子糾纏－－貝爾態。
3.1 創建解決方案和項目
打開 Visual Studio 2017，選擇“文件(F)”->“新建(N)”->“項目(P)…”，在“已安裝”->“Visual C#”，然後選擇 Q# Application 模板。填寫項目名稱和解決方案名稱，並選擇一個存放項目的目錄，然後點擊“確定”按鈕。
項目創建後 Visual Studio 會生成並打開兩個文件，分別爲 Operation.qs 和 Driver.cs。後綴爲 .qs 的 Q# 文件是量子程序的代碼文件，但其本身不能直接運行，需要使用 C# （也可以使用其他編程言來調用，如 F#、VB、C++ 或 Python 等）程序作爲驅動進行調用。項目結構如下圖所示：
3.2 編寫 Q# 代碼
爲了方便說明，我們將 Operation.qs 重命名爲 Bell.qs（該文件中會定義一個名爲 BellTest 的操作，編譯後在 C# 中使用 BellTest 調用時，IED 會有智能感知提示。雖然不改名稱代碼也可以正常運行，但在 C# 驅動程序中會有紅線錯誤出現）。
在 Q# 中是通過定義“操作”來獲取或設置量子位狀態的，在定義操作之前，我們需要先引入操作量子位的原語 Microsoft.Quantum.Primitive 命名空間，該命名空間定義了很多基本的量子邏輯門操作，例如：M()、X()、Z()、H()、CNOT()等。
在 Bell.qs 中定義一個 Set 操作，其作用非常簡單，判斷給定的量子位狀態是否與期望的結果一致。如果一致，則啥也不做；若不一致，就將其進行翻轉過來。代碼如下所示：
operation Set(desired: Result, q1: Qubit) : () { body { // 測量（M）q1 量子位的狀態 let current = M(q1); if (desired != current) { // 如果與期望的不相等，將其進行翻轉（X） X(q1); } } }
定義操作的方式非常簡單，只需要使用 operation 關鍵字，緊跟着是操作的名稱，名稱後面用一個元組作爲操作的參數，參數包含名稱和類型。操作參數後面跟上一個冒號，然後用一個元組來表示操作的返回值，返回值只需要提供數據類型，不需要名稱；如果沒有返回值，則直接寫上一對小括號即可。需要注意的是：具體的操作代碼應當寫在用大括號包裹的操作體 body {} 中。
下面定義一個操作 BellTest 來測試兩個量子位的糾纏，將操作代碼添加到 Bell.qs 文件的 Set 操作下方，代碼如下所示：
operation BellTest() : (Result, Result) { body { // 用於保存量子位狀態的可變局部變量 mutable s1 = Zero; mutable s2 = Zero; // 分配兩個量子位 using (qubits = Qubit[2]) { // 將第一個量子位執行阿達馬門實現狀態疊加 H(qubits[0]); // 通過可控非門將兩個量子進行糾纏 CNOT(qubits[0], qubits[1]); // 測量兩個量子位的狀態 set s1 = M(qubits[0]); set s2 = M(qubits[1]); // 釋放量子位前需要將其重置0狀態 Set(Zero, qubits[0]); Set(Zero, qubits[1]); } // 返回兩個量子位的狀態 return (s1, s2); } }
上述操作分配了兩個量子位，並對第一個量子位執行阿達馬門 H 操作，使其處於疊加狀態，然後通過可控非門 CNOT 將兩個量子進行糾纏，最後分別測量兩個量子的狀態並以元組方式返回。
需要注意的是：使用 using 分配量子位後，會在程序離開結束的大括號 { 時進行自動釋放，在釋放時需要先將量子位狀態重置爲 0 狀態。
3.3 使用 C# 調用 Q# 操作
前面提到需要使用 C# 作爲驅動程序來調用 Q# 程序，那它是怎麼做到的呢？事實上 Visual Studio 在編譯的時候，會把每個 xxx.qs 文件都會生成一個對應的 xxx.q.cs 文件，保存在項目下的 obj\qsharp\src 目錄下。
在 xxx.g.cs 文件中，會將每個操作生成對應的類，比如上述 Bell.qs 中的 Set 操作和 BellTest 操作，會生成對應的 Set類和 BellTest 類。這兩個類繼承至 Operation 抽象類，每個類中都包含一個靜態的異步 Run 方法。
在 C# 驅動程序中，首先定義一個量子模擬器，然後循環 10 次測試兩個量子位糾纏後的狀態，並輸出到控制檯。具體代碼如下所示：
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狀態 {s1,-5} Q2狀態 {s2,-5}"); } } Console.WriteLine("按任意鍵繼續..."); Console.ReadKey(); }
創建量子模擬器前需要導入 Microsoft.Quantum.Simulation.Simulators 命名空間，如果你的代碼用到量子 Result 狀態枚舉，你還需要導入 Microsoft.Quantum.Simulation.Core 命名空間。
3.4 運行結果
從運行結果可以看出，不管運行多少次，第一個量子位的狀態始終與第二個量子位的狀態保持一致。運行結果如下圖所示：
4 參考資料
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