练习第 1 部分 - 创建量子随机位生成器

8 分钟

在上一单元中，你了解了 Q# 程序的基本构造块。现在，你已准备好编写第一个量子程序。在本单元中，你将编写一个生成真正随机位的量子程序。

可通过两个步骤生成量子随机数生成器。本单元是生成单个随机位的第一步。若要生成随机位，请在 $\ket{0}$ 状态下分配量子比特，将该量子比特放入叠加状态，然后测量量子比特以生成随机位值 0 或 1。

创建 Q# 程序文件

打开 Visual Studio Code。
打开“ 文件 ”菜单，然后选择“ 新建文本文件 ”以创建新文件。
将文件另存为 Main.qs。

为文件中的随机位生成器 Main.qs 编写 Q# 代码。

定义 `Main` 操作

Main 操作是你的程序的入口点。将以下代码复制到 Main.qs 文件中：

operation Main(): Result{

    // Your code goes here

}

分配量子比特

若要开始，请使用 use 语句分配一个量子比特。在 Q# 中，默认情况下，你使用 use 分配的每个量子位都会初始为 $\ket{0}$ 状态。若要分配单个量子比特，请将以下代码复制到程序中：

operation Main(): Result{

    // Allocate a qubit
    use q = Qubit();
}

将量子比特置于叠加态

此时，无法从量子比特生成随机位，因为量子比特处于 $\ket{0}$ 状态。如果测量此量子位的状态，则每次度量都将返回位值 0。

若要从量子比特的测量生成随机位，首先需要将量子比特置于 $\ket{0}$ 状态和 $\ket{1}$ 状态的叠加态中。若要将量子比特置于叠加状态，请将 Hadamard 运算应用于量子比特。 Hadamard 运算将量子比特从 $\ket{0}$ 状态转换为 $\ket{0}$ 和 $\ket{1}$ 状态的相等叠加。

$$ H \ket{0} = \frac{1}{\sqrt{2}} （\ket{0} + \ket{1}） $$

若要在 Q# 中将 Hadamard 操作应用到量子比特，请使用 H 操作：

operation Main(): Result{

    use q = Qubit();
    H(q);
}

注意

将量子运算应用于 Q# 中的量子位时，该作不会返回值。相反，操作会影响量子比特的状态。

测量量子比特

由于量子比特现在处于均等的叠加状态，因此当你测量量子比特时，测量返回 0 的可能性为 50%，测量返回 1 的可能性也为 50%。

若要在 Q# 中度量量子比特值，请使用 M 该作并将度量值存储在变量中 result ：

operation Main(): Result{

    use q = Qubit();
    H(q);
    let result = M(q);
}

重置量子比特

在 Q# 中，量子位必须处于 $\ket{0}$ 状态，然后才能释放量子比特。使用 Reset 将量子比特重置为 $\ket{0}$ 状态。

operation Main(): Result{

    use q = Qubit();
    H(q);
    let result = M(q);
    Reset(q);
}

返回度量结果

最后，使用 return 语句返回度量结果。此结果是一个随机位，即 0 或 1，概率相等。在 Main.qs 文件中复制以下代码：

operation Main(): Result{

    use q = Qubit();
    H(q);
    let result = M(q);
    Reset(q);
    return result;
}

运行随机位生成器程序

你创建了一个名为分配量子比特的 Q# 程序 Main.qs ，将量子比特置于相等叠加状态，测量量子比特，重置量子比特，然后返回度量结果。下面是 Q# 代码的概述：

operation Main() : Result {
    // Allocate a qubit.
    use q = Qubit();

    // Set the qubit into superposition of 0 and 1 using the Hadamard 
    H(q);

    // Measure the qubit and store the result.
    let result = M(q);

    // Reset qubit to the |0〉 state.
    Reset(q);

    // Return the result of the measurement.
    return result;
}

注意

符号 // 表示解释程序每个步骤的可选注释。编译器忽略注释。

若要在内置模拟器上运行程序，请在 Main 操作上方选择“运行”代码可重用功能区，或者按 Ctrl + F5。您的输出显示在终端的调试控制台中。

结果是， Zero 或者 One，每个结果都有 50 个% 机会。量子计算机上的此位的测量值确实是随机的。多次运行程序，了解结果的更改方式。

在下一个单元中，将多个随机位组合在一起，以实现量子随机数生成器的第二部分。

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