量子开发套件预览模拟器

📝 注意

此包处于 预览 状态，可能会在不通知的情况下进行破坏性 API 变更。

作为预览功能，此包可能存在错误或不完整。有关更多信息，请查看跟踪问题 microsoft/qsharp-runtime#714。

ⓘ 提示

此包提供了与实验性模拟器交互的低级 API。如果您想使用实验性模拟器来运行您的 Q# 程序，请参阅安装说明 https://github.com/microsoft/qsharp-runtime/blob/main/documentation/preview-simulators.md。

此包实现了量子开发套件的模拟功能，包括

• 开放系统模拟
• Stabilizer 模拟

c_api 模块允许从 C 或其他具有 C FFI（例如：C++ 或 C#）的语言中使用此包中的模拟功能，同时 Rust 调用者可以直接利用此包中的结构和方法。

同样，python 模块允许将此包中的数据结构暴露给 Python 程序。

Cargo 功能

• python：启用此包的 Python 绑定。
• wasm：确保该crate与WebAssembly的使用兼容。

表示量子系统

此crate提供多种不同的数据结构，用于以不同的约定表示量子系统。

• State：表示量子比特寄存器的稳定态、纯态或混合态。
• Process：表示将状态映射到状态的过程。
• Instrument：表示量子仪器，测量最一般的形式。

噪声模型序列化

噪声模型可以序列化为JSON，以实现跨语言的互操作性。特别是，每个噪声模型都由一个JSON对象表示，该对象具有每个操作的属性、初始状态和用于实现$Z$基测量所使用的仪器的属性。

例如

{
    "initial_state": {
        "n_qubits": 1,
        "data": {
            "Mixed": {
                "v": 1, "dim":[2 ,2],
                "data": [[1.0, 0.0], [0.0, 0.0], [0.0, 0.0], [0.0, 0.0]]
            }
        }
    },
    "i": {
        "n_qubits": 1,
        "data": {
            "Unitary": {
                "v": 1,"dim": [2, 2],
                "data": [[1.0, 0.0], [0.0, 0.0], [0.0, 0.0], [1.0, 0.0]]
            }
        }
    },
    ...
    "z_meas": {
        "Effects": [
            {
                "n_qubits": 1,
                "data": {
                    "KrausDecomposition": {
                        "v":1, "dim": [1, 2, 2],
                        "data": [[1.0, 0.0], [0.0, 0.0], [0.0, 0.0], [0.0, 0.0]]
                    }
                }
            },
            {
                "n_qubits": 1,
                "data": {
                    "KrausDecomposition": {
                        "v": 1,"dim": [1, 2, 2],
                        "data":[[0.0, 0.0], [0.0, 0.0], [0.0, 0.0], [1.0, 0.0]]
                    }
                }
            }
        ]
    }
}

initial_state属性的值是一个序列化的State，每个操作属性（即：i、x、y、z、h、s、s_adj、t、t_adj和cnot）是一个序列化的Process，而z_meas的值是一个序列化的Instrument。

表示复数数组

在噪声模型序列化过程中，使用表示复数$n$维数组的JSON对象来存储各种向量、矩阵和张量。此类数组序列化为具有三个属性的JSON对象

• v：JSON架构的版本号；必须是"1"。
• dims：表示被表示数组的维度的列表。
• data：表示展开数组元素的列表，每个元素都表示为包含表示每个元素实部和虚部的两个条目的列表。

例如，考虑理想y操作的序列化

"y": {
    "n_qubits": 1,
    "data": {
        "Unitary": {
            "v": 1, "dim": [2, 2],
            "data": [[0.0, 0.0], [0.0, 1.0], [0.0, -1.0], [0.0, 0.0]]
        }
    }
}

表示状态和过程

每个状态和过程都由具有两个属性（n_qubits和data）的JSON对象表示。data的值本身是一个JSON对象，其中一个属性指示使用哪个StateData或ProcessData枚举的变体来表示该状态或过程。

{
    "n_qubits": 1,
    "data": {
        "Mixed": {
            "v": 1, "dim":[2 ,2],
            "data": [[1.0, 0.0], [0.0, 0.0], [0.0, 0.0], [0.0, 0.0]]
        }
    }
}

• 开放系统模拟的性能仍需针对更大的寄存器进行更多工作。
• 不同的转换函数和方法之间存在一些差距。
• 稳定态还不能通过Instrument结构进行测量，只能通过底层的Tableau。
• crate的许多部分还没有Python绑定。
• 稳定态模拟尚未通过C API公开。
• 测试和微型基准测试覆盖率仍不完整。
• API中有太多panic!或unwrap，需要用Result返回值替换。