Microsoft Quantum Katas帮助开发人员探索使用Q#实现量子计算

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摘要： Microsoft根据“软件招式”（Code Katas）这一理念，开源了一个称为“Quantum Katas”的项目。该项目意在帮助开发人员迈出使用Q#语言实现量子计算的第一步。它提供了一组复杂度递增的编程练习，并可向学习者提供即刻反馈。

作者： Sergio De Simone

正文：

Microsoft根据“软件招式”（Code Katas）这一理念，开源了一个称为“Quantum Katas”的项目。该项目意在帮助开发人员迈出使用Q#语言实现量子计算的第一步。它提供了一组复杂度递增的编程练习，并可向学习者提供即刻反馈。

Quantum Katas当前提供四种招式，每种招式涵盖一个特定的量子计算主题：

• 如何使用基本的量子计算逻辑门，包括使用单量子位（qubit）门和多量子位门。

• 准备叠加（Superposition）状态。叠加和纠缠（entanglement）是量子系统独具的特性。叠加允许在某个特定的量子位中同时存在多个逻辑状态。

• 在量子实验中，使用测量抽取经典信息（classical information）。测量步骤可能会使量子位脱离叠加态，这将会破坏量子系统的相干性。

• 编写实现经典函数和Deutsch–Jozsa算法的量子预言机（Oracle）。Deutsch–Jozsa算法是一种比确定性经典算法的速度快指数级别的量子算法。

招式组织为一组复杂度递增的编程任务。每个任务使用测试驱动编程（TDD），关联到一个初始未通过的单元测试。在可用的参考资料帮助下，开发人员需要填充其中的代码，使测试得以通过。参考资料和参考解决方案一并提供在招式中。

招式中涵盖的问题来自于Microsoft于去年九月首次推出的Q#编程大赛。

下面给出两个例子。一个是几乎最简单的招式，翻转一个量子位的状态。另一个招式稍为复杂，根据当前状态更改量子位的状态。

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    // 第一部分，单量子位逻辑门（Single-Qubit Gates）
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    // 任务1.1： 状态翻转：从"|0>"翻转为"|1>"，或是反之。
    // 输入：一个量子位，状态为|ψ> = α|0> + β|1>.
    // 目标：将量子位状态更改为 α|1> + β|0>。
    // 例子： 
    //        如果量子位处于状态“|0>”，更改其状态为“|1>”。
    //        如果量子位处于状态“|1>”，更改其状态为“|0>”。
    // 注意：该操作是自伴的（self-adjoint），即再次应用同一操作，量子位将恢复原状态。
    operation StateFlip (q : Qubit) : ()
    {
        body
        {
            // Pauli X门将更改状态“|0>”为状态“|1>”，或是反之。 
            // Type X(q);
            // 然后重新构建项目，并重运行测试。现在，测试T11_StateFlip_Test将会通过~
            // ……
        }
        adjoint self;
    }
    // 任务1.6*：更改相位（Phase change）。
    // 输入：
    //     1. 一个状态为“β|0> + γ|1>”的量子位。 A qubit in state β|0⟩ + γ|1⟩.
    //     2.  以弧度表示的α角度，表示一个Double。
    // 目标：将量子位的状态更改如下：
    //        如果量子位的状态为“|0>”，不更改其状态；
    //        如果量子位的状态为“|1>”，更改其状态为“exp(i*alpha)|1>”；
    //        如果量子位处于叠加态，根据基矢量（basis vectors）的效果更改其状态。
    operation PhaseChange (q : Qubit, alpha : Double) : ()
    {
        body
        {
            // ……
        }
        adjoint auto;
    }

运行Microsoft Quantum Katas需安装Quantum Development Kit开发包。该开发包提供了Windows 10、macOS和Linux上的可用版本。每个招式位于独自的目录中，并关联一个Visual Studio解决方案。在macOS和Linux上，只要安装了.NET Core SDK 2.0或以后的版本，开发人员就可以使用Visual Studio Code或命令行运行各个招式。

查看英文原文： Microsoft Quantum Katas Help Developers Discover Quantum Computing with Q#