Q#

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1. 개요2. 역사3. 기능4. 특징

4.1. C#와의 비교4.2. F#와의 비교

5. 예제

5.1. 난수 생성기5.2. 그래프 색 지정 문제

6. 관련 문서7. 외부 링크

1. 개요

Q#은 2017년에 발표된 양자컴퓨터의 양자 알고리즘을 개발하고 실행하기 위한 Microsoft의 오픈 소스 프로그래밍 언어이다.

2. 역사

2017년 9월 26일 Microsoft Ignite Keynote에서 Microsoft는 양자 컴퓨터를 위해 특별히 설계된 새로운 프로그래밍 언어를 출시할 것이라고 발표했다. 2017년 12월 11일에는 Microsoft는 .NET 프로젝트의 SDK인 Quantum Development Kit(QDK)의 일부로 Q#을 출시했다. 이후 Build 2019빌드에서 Microsoft는 Q# 컴파일러와 시뮬레이터를 포함한 Quantum Development Kit를 오픈소싱한다고 발표했다.

3. 기능

Q#의 주요 기능은 양자 알고리즘용 큐비트를 만들고 사용하는 기능이다. 결과적으로 Q#의 가장 두드러진 기능 중 일부는 각각 Controlled NOT 게이트 및 Hadamard 게이트를 통해 큐비트에 중첩 및 중첩제어를 도입 하는 기능과 Tofffoli Gates , Pauli X, Y, Z 게이트 등을 포함하는 기능이다.

결국 Q#과 함께 제공될 하드웨어 스택은 큐비트를 토폴로지 큐비트로 구현할 것으로 예상된다. 현재 Quantum Development Kit와 함께 제공되는 양자 시뮬레이터는 사용자 컴퓨터에서 최대 32큐비트를 처리하고 Azure에서는 최대 40큐비트를 처리할 수 있다.

Quantum Development Kit에서 제공하는 기능들은 다음과 같다.

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

이 예제는 Microsoft의 공식 문서 중 연습-양자 난수 생성기 만들기에서 가져왔습니다.

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

이 예제는 Microsoft의 공식 문서 중 연습 - Grover 알고리즘을 구현하여 그래프 색 지정 문제 해결에서 가져왔습니다.

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

7. 외부 링크

MSDN의 퀀텀 프로그래밍 기초

한국어 버전

[1] IBM에서 개발한 Python 기반 양자컴퓨팅 언어이다.

Q#

1. 개요

2. 역사

3. 기능

4. 특징

4.1. C#와의 비교

4.2. F#와의 비교

5. 예제

5.1. 난수 생성기

5.2. 그래프 색 지정 문제

6. 관련 문서

7. 외부 링크

분류