isq 编程语言用户手册概述 isq 是由中国科学院软件研究所与中科弧光量子软件公司共同开发的量子程序设计语言, 目前开发团队正在研发 isq 2.0 版本相应地, 开发团队实现了多个版本的编译器以将 isq 对接到不同的硬件平台或模拟器上本用户手册将详细介绍中科院量子云平台上所支持的 isq

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仲都
1 years ago
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1 isq 编程语言用户手册概述 isq 是由中国科学院软件研究所与中科弧光量子软件公司共同开发的量子程序设计语言, 目前开发团队正在研发 isq 2.0 版本相应地, 开发团队实现了多个版本的编译器以将 isq 对接到不同的硬件平台或模拟器上本用户手册将详细介绍中科院量子云平台上所支持的 isq 编程语言的使用方法为了适配超导量子硬件的一些底层限制, 我们对完整版 isq 语言的语法特性做了一些简化, 以使得用本手册中的 isq 语言所编写的量子程序, 能真正地运行在支持 QCIS 指令集的硬件平台上接下来, 我们将用 isq-core 来表示云平台上所支持的 isq 版本, 以区别于完整的 isq 语言后续随着 QCIS 指令集和云平台的扩展,isQ-core 的语法也会进行迭代与更新下面, 我们将首先给出量子云平台 isq-core 的语法说明, 然后再列举若干例子以便读者有更直观的理解量子云平台 isq-core 语法说明 isq-core 编程语言包含如下四种操作 : 自定义 qubit 变量, 酉操作, 测量操作,for 循环完整的代码结构如下 : Qubit Define procedure main(){procedurebody 其中 procedurebody 由酉操作, 测量操作以及 for 循环构成自定义 qbit isq-core 支持用户定义 qubit 变量 ( 仅支持定义全局变量 ), 可为单个变量, 或者 qubit 数组 ( 注意在 isq 中, qubit 对应的关键字是 qbit ), 定义格式如下 : qbit ID; qbit ID[NUMBER];

2 qbit ID 1,, ID n [NUMBER]; 其中 ID 为变量名, 由字母和数字构成, 如 a, b2, 变量名不能重复 ; 数组变量形式为 ID[NUMBER],NUMBER 为数字, 如 a[3], b1[10]; 每一行可定义单个或多个变量 / 数组所有的 qubit 变量均默认初始化为 0> qbundle 在说明 procedurebody 之前, 我们先介绍一个概念 :qbundle qbundle 表示 qubit 数组内的一组 qubit, 其表达形式如下 : ID[idx 1, idx 2,, idx n ] ID[start: stop: step] Qbundle 有两种表达形式, 其中 ID 为 qubit 变量名, 必须为之前定义的数组变量在第一种表达形式中, 用一系列下标来表示这一组 qubit, 如我们之前定义了 t[10], 则可以用 t[1,3,5,7] 来表示 t[1],t[3],t[5],t[7] 这四个 qubit 第二种表达形式类似 python 的 range, 用 start/stop 表示起始 / 终止下标 ( 不包含 stop), step 表示步长, 默认为 1 如 t[1:4] 表示 t[1],t[2],t[3] 这三个 qubit,t[1:6:2] 表示 t[1],t[3],t[5] 这三个 qubit 酉操作酉操作为对 qubit 作用酉门, 定义格式如下 : GateID < qid 1,, qid n > GateID < qbundle 1,, qbundle n > GateID 为酉门名称, 现有基础门包括 :H,X,Y,Z,S,T,SD,TD,X2P,X2M, Y2P,Y2M, CZ,n 为门作用的 qubit 数目 (CZ 为 2, 其余门均为 1) 酉门可作用在 qubit 变量上 ( 形式一 ) 或者 qbundle( 形式二 ) 上当作用在 qbundle 上

3 时,qbound i 的长度必须一致, 此时其语义为对每个 j, 执行如 H<t[1:3]> 表示 GateID < qbundle 1,j,, qbundle n,j > H<t[1]>; H<t[2]>; CNOT<t[1:3], w[2,4]> 表示 CNOT<t[1], w[2]>; CNOT<t[2], w[4]>; 需要注意的是 :CZ 需要作用的相邻的 qubit 上 ( 根据定义 qubit 的先后顺序判断是否相邻 ); 已测量完的 qubit 变量不可再执行酉操作测量操作对 qubit 进行测量, 定义格式类似上面的酉操作 M < qid > M < qbundle > 其中对 qbundle 测量的语义为对 qbundle 里每一个 qubit 进行测量 for 循环为方便用户做一些循环酉操作, 简化代码,isQ-core 提供了 for 循环的支持, 定义格式如下 : for cid in start: stop: step{ forloopbody 其中 cid 为 for 循环自增变量名,start,stop,step 和 qbundle 中定义一致,

4 start/stop 表示起始 / 终止值 ( 不包含 stop), step 表示步长 forloopbody 定义和 procedurebody 一致, 里面可包含酉操作, 测量操作以及 for 循环值得注意的是在 forloopbody 中可用带 cid 的表达式做下标来访问 qubit 变量, 如 : for i in 1: 3{ H < t[i] >; CZ < w[i], w[i + 1] >; 注释 isq-core 提供单行注释功能, 在需要注释内容前加 // 即可 isq-core 样例 : 本节将介绍若干 isq-core 样例, 以供用户参考这些样例均能在 isq-qcis 编译器上编译通过样例一 qbit p,q,r; qbit w[5]; procedure main() { H<w[0:5]>; M<w[1,3,4]>; 在该代码中, 我们定义了 8 个 qubit, 其中三个单变量 p,q,r, 一个数组变量 w[5] 在 main 函数中, 我们对 w 数组内的每一个 qubit 做了一次 H 门, 然后测量了 w[1],w[3],w[4] 三个 qubit

5 样例二 CZ 门用法 ( 目前超导芯片只支持最多 12 个 qubit, 且为线性排列, 只能对相邻的 qubit 做 CZ 门 ) qbit p,q; qbit w[5]; procedure main() { CZ<p, q>; CZ<q, w[0]>; CZ<w[1:3], w[2:4]>; M<w[0:5]>; // w[1], w[3] is not adjacent, can't do CZ // CZ <w[1], w[3]>; compile failed 在该代码中, 我们对 (p,q),(q,w[0]),(w[1],w[2]),(w[2],w[3]) 做了 CZ 门上述 4 组 qubit 都是物理上相邻的 qubit, 所以可以做 CZ 而注释中的 (w[1],w[3]) 不相邻, 因此不能做 CZ, 否则会报编译错误样例三 for 循环简单用法 qbit w[5]; procedure main() { for i in 0:3{ X2P<w[i]>; Y2P<w[i+1]>; CZ<w[i], w[i+1]>; for i in 0:3{

6 for j in 0:3{ for k in 0:3{ H<w[(i+j+k) % 5]>; M<w[0:4]>; 在该代码中, 我们使用 isq-core 的 for 循环功能, 其中第一个 for 循环 i 做了三次迭代 (0, 1,2 三个值 ), 每次迭代均对 w[i],w[i+1] 两个 qubit 做相应的门操作第二个 for 由三个 for 循环嵌套构成, 可以看到 isq-core 也可以通过简单的四则运算来获取下标

: 37.7 : :50: () /

: 37.7 : :50: () / 2010 15 2010 2010 21 2010 ( ) 2010 () 1995 2050 14.1 3.6 2.3 1992 1980 1994 1980 1995 1980 1995 147.5 1990 1.8 83.8 600 1990 1.6 1995 2300 28.9 1995 503.5 6.3 1995 4319.9 1990 1114.5 305.3 1990 111.1 257.9