Q#

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1. 개요

2. 역사

3. 기능

• Azure Quantum 서비스에 Qiskit[1] 및 Cirq 애플리케이션을 제출하는 Python 패키지
• Q# 프로그래밍 언어 및 라이브러리
• Jupyter Notebook에서 Q#을 실행하기 위한 IQ# 커널
• Azure Quantum 서비스를 관리하고 Q# 애플리케이션을 제출하는 Azure CLI 확장
• Q#을 포함하여 Python 및 .NET 언어용(C#, F# 및 VB.NET) API
• Visual Studio Code 및 Visual Studio용 확장

4. 특징

4.1. C#와의 비교

• 네임스페이스를 통한 필드 분리
• 세미콜론으로 문장 마침
• 중괄호사용
• 한줄 주석은 //을 통해 작성
• Int, String, Double등과 같은 데이터 타입은 대문자로 시작
• =>을 사용하여 람다함수 작성
• return 키워드로 결과 반환

4.2. F#와의 비교

• 변수는 let또는 mutable을 사용하여 선언
• 1차 함수
• open키워드를 사용하여 모듈 가져오기
• 데이터 유형은 변수 이름 뒤에 선언
• 범위 연산자 ..
• for … in루프
• 모든 작업/함수는 void가 아닌 빈 튜플 반환
• 레코드 데이터 유형의 정의 (type대신 newtype 키워드 사용)

5. 예제

5.1. 난수 생성기

namespace QuantumRNG {

    open Microsoft.Quantum.Canon;
    open Microsoft.Quantum.Intrinsic;
    open Microsoft.Quantum.Measurement;
    open Microsoft.Quantum.Math;
    open Microsoft.Quantum.Convert;

    operation GenerateRandomBit() : Result {
        // Allocate a qubit.
        use q = Qubit();
        // Put the qubit to superposition.
        H(q);
        // It now has a 50% chance of being measured 0 or 1.
        // Measure the qubit value.
        return M(q);
    }

    operation SampleRandomNumberInRange(max : Int) : Int {
        mutable output = 0; 
        repeat {
            mutable bits = []; 
            for idxBit in 1..BitSizeI(max) {
                set bits += [GenerateRandomBit()]; 
            }
            set output = ResultArrayAsInt(bits);
        } until (output <= max);
        return output;
    }

    @EntryPoint()
    operation SampleRandomNumber() : Int {
        let max = 50;
        Message($"Sampling a random number between 0 and {max}: ");
        return SampleRandomNumberInRange(max);
    }
}

5.2. 그래프 색 지정 문제

namespace ExploringGroversSearchAlgorithm {
    open Microsoft.Quantum.Measurement;
    open Microsoft.Quantum.Math;
    open Microsoft.Quantum.Arrays;
    open Microsoft.Quantum.Canon;
    open Microsoft.Quantum.Convert;
    open Microsoft.Quantum.Diagnostics;
    open Microsoft.Quantum.Intrinsic;


    operation MarkColorEquality(c0 : Qubit[], c1 : Qubit[], target : Qubit) : Unit is Adj+Ctl {
        within {
            for (q0, q1) in Zipped(c0, c1) {
                CNOT(q0, q1);
            }
        } apply {
            (ControlledOnInt(0, X))(c1, target);
        }
    }


    operation MarkValidVertexColoring(
        edges : (Int, Int)[], 
        colorsRegister : Qubit[], 
        target : Qubit
    ) : Unit is Adj+Ctl {
        let nEdges = Length(edges);
        let colors = Chunks(2, colorsRegister);
        use conflictQubits = Qubit[nEdges];
        within {
            for ((start, end), conflictQubit) in Zipped(edges, conflictQubits) {
                MarkColorEquality(colors[start], colors[end], conflictQubit);
            }
        } apply {
            (ControlledOnInt(0, X))(conflictQubits, target);
        }
    }


    operation ApplyMarkingOracleAsPhaseOracle(
        markingOracle : ((Qubit[], Qubit) => Unit is Adj), 
        register : Qubit[]
    ) : Unit is Adj {
        use target = Qubit();
        within {
            X(target);
            H(target);
        } apply {
            markingOracle(register, target);
        }
    }


    operation RunGroversSearch(register : Qubit[], phaseOracle : ((Qubit[]) => Unit is Adj), iterations : Int) : Unit {
        ApplyToEach(H, register);
        
        for _ in 1 .. iterations {
            phaseOracle(register);
            within {
                ApplyToEachA(H, register);
                ApplyToEachA(X, register);
            } apply {
                Controlled Z(Most(register), Tail(register));
            }
        }
    }


    @EntryPoint()
    operation SolveGraphColoringProblem() : Unit {
        // Graph description: hardcoded from the example.
        let nVertices = 5;
        let edges = [(0, 1), (0, 2), (0, 3), (1, 2), (1, 3), (2, 3), (3, 4)];

        // Define the oracle that implements this graph coloring.
        let markingOracle = MarkValidVertexColoring(edges, _, _);
        let phaseOracle = ApplyMarkingOracleAsPhaseOracle(markingOracle, _);

        // Define the parameters of the search.
        
        // Each color is described using 2 bits (or qubits).
        let nQubits = 2 * nVertices;

        // The search space is all bit strings of length nQubits.
        let searchSpaceSize = 2 ^ (nQubits);

        // The number of solutions is the number of permutations of 4 colors (over the first four vertices) = 4!
        // multiplied by 3 colors that vertex 4 can take in each case.
        let nSolutions = 72;

        // The number of iterations can be computed using a formula.
        let nIterations = Round(PI() / 4.0 * Sqrt(IntAsDouble(searchSpaceSize) / IntAsDouble(nSolutions)));

        mutable answer = new Bool[nQubits];
        use (register, output) = (Qubit[nQubits], Qubit());
        mutable isCorrect = false;
        repeat {
            RunGroversSearch(register, phaseOracle, nIterations);
            let res = MultiM(register);
            // Check whether the result is correct.
            markingOracle(register, output);
            if (MResetZ(output) == One) {
                set isCorrect = true;
                set answer = ResultArrayAsBoolArray(res);
            }
            ResetAll(register);
        } until (isCorrect);
        // Convert the answer to readable format (actual graph coloring).
        let colorBits = Chunks(2, answer);
        Message("The resulting graph coloring:");
        for i in 0 .. nVertices - 1 {
            Message($"Vertex {i} - color {BoolArrayAsInt(colorBits[i])}");
        }
    }
}

6. 관련 문서

• 양자컴퓨터
• .NET

7. 외부 링크

• MSDN의 퀀텀 프로그래밍 기초
• 한국어 버전