量子程序转化OriginIR

通过该功能模块，你可以解析通过QPanda2构建的量子程序，将其中包含的量子比特信息以及量子逻辑门操作信息提取出来，得到按固定格式存储的OriginIR。

OriginIR介绍

OriginIR是基于QPanda的量子程序中间表示，对QPanda各种特性的支持有非常重要的作用。OriginIR不仅可以表示绝大部分量子逻辑门类型，表示针对量子线路的dagger操作，为量子线路添加控制比特，还可以支持QPanda独有的Qif、QWhile，可以实现量子程序内嵌经典程序。

OriginIR主要内容有量子比特、经典寄存器、量子逻辑门、转置共轭操作、添加控制比特操作、QIf、QWhile、经典表达式。

量子比特

OriginIR使用QINIT申请量子比特，其格式为QINIT后跟空格+量子比特总数。示例：QINIT6。需要注意的是除注释外QINIT必须出现在OriginIR程序的第一行。在使用量子比特时，OriginIR使用q[i]表示某个具体的量子比特，此处i为量子比特的编号，i可为无符号数字型常量，也可为变量，同时也可使用c[i]组成的表达式代替，示例：q[1],q[c[0]],q[c[1]+c[2]+c[3]]。

经典寄存器

OriginIR使用CREG申请经典寄存器，其格式为CREG后跟空格+经典寄存器总数。示例：CREG 6；在使用经典寄存器时，OriginIR使用c[i]表示某个具体的经典寄存器，i为经典寄存器编号,此处i必须为无符号数字型常量；示例：c[1]。

量子逻辑门

OriginIR把量子逻辑门分为以下几个种类：单门无参数型关键字；单门一个参数型；单门两个参数；单门三个参数；单门四个参数；双门无参数；双门一个参数；双门四个参数；三门无参数。需要注意的是所有单门操作，目标量子比特可以是整个量子比特数组或者单个量子比特。如果是整个量子比特数组时例如：

H q

当量子比特数组大小为3时则等效为：

H q[0]
H q[1]
H q[2]

1、单门无参数型关键字：H、T、S、X、Y、Z、X1、Y1、Z1、I；表示无参数类型的单量子逻辑门；格式为量子逻辑门关键字+空格+目标量子比特。示例：

H q[0]

2、单门一个参数型关键字：RX、RY、RZ、U1；表示有一个参数的单量子逻辑门；格式为量子逻辑门关键字+空格+目标量子比特+逗号+(偏转角度)。示例：

RX q[0],(1.570796)

3、单门两个参数型关键字：U2、RPhi；表示有两个参数的单量子逻辑门；格式为量子逻辑门关键字+空格+目标量子比特+逗号+（两个偏转角度）。示例：

U2 q[0],(1.570796,-3.141593)

4、单门三个参数型关键字：U3；表示有三个参数的单量子逻辑门；格式为量子逻辑门关键字+空格+目标量子比特+逗号+（三个偏转角度）。示例：

U3 q[0],(1.570796,4.712389,1.570796)

5、单门四个参数关键字：U4；表示有四个参数的单量子逻辑门；格式为量子逻辑门关键字+空格+目标量子比特+逗号+（四个偏转角度）。示例：

U4 q[1],(3.141593,4.712389,1.570796,-3.141593)

6、双门无参数型关键字：CNOT、CZ、ISWAP、SQISWAP、SWAP；表示无参数的双量子逻辑门；格式为量子逻辑门关键字+空格+控制比特+逗号+目标比特。示例：

CNOT q[0],q[1]

7、双门一个参数型关键字：ISWAPTHETA、CR；表示有一个参数的单量子逻辑门；格式为量子逻辑门关键字+空格+控制比特+逗号+目标比特+逗号+(偏转角度)。示例：

CR q[0],q[1],(1.570796)

8、双门四个参数型关键字：CU；表示有四个参数的单量子逻辑门；格式为量子逻辑门关键字+空格+控制比特+逗号+目标比特+逗号+（四个偏转角度）。示例：

CU q[1],q[3],(3.141593,4.712389,1.570796,-3.141593)

9、三门无参数型关键字：TOFFOLI；表示无参数的三量子逻辑门；格式为量子逻辑门关键字+空格+控制比特1+逗号+控制比特2+逗号+目标比特。示例：

TOFFOLI  q[0],q[1],q[2]

转置共轭操作

OriginIR中可以对一个或多个量子逻辑门进行转置共轭操作，OriginIR使用DAGGER和 ENDDAGGER关键字定义转置共轭操作的范围，一个DAGGER必须有一个ENDDAGGER匹配，示例：

DAGGER
H q[0]
CNOT q[0],q[1]
ENDDAGGER

添加控制比特操作

OriginIR中可以对一个或多个量子逻辑门添加控制比特，OriginIR使用CONTROL 和 ENDCONTROL关键字定义添加控制比特的范围，CONTROL后跟空格+控制比特列表；示例：

CONTROL q[2],q[3]
H q[0]
CNOT q[0],q[1]
ENDCONTROL

QIF

OriginIR中可以表示量子条件判断程序，它通过QIF、ELSE、ENDIF框定量子条件判断程序的不同分支的范围。QIF必须匹配一个ENDIF，如果QIF有两个分支则需要有ELSE，如果QIF只有一个分支则不需要有ELSE；QIF后跟空格+判断表达式。示例：

1、QIF只有一个条件分支
QIF c[0]==c[1]
H q[0]
CNOT q[0],q[1]
ENDIF

2、QIF有两个条件分支
QIF c[0]+c[1]<5
H q[0]
CNOT q[0],q[1]
ELSE
H q[0]
X q[1]
ENDIF

QWHILE

OriginIR中可以表示量子循环判断程序，它通过QWHILE和ENDQWHILE框定循环判断程序的范围，QWHILE必须匹配一个ENDQWHILE；QWHILE后跟空格+判断表达式。示例：

QWHILE c[0]<5
H q[c[0]]
c[0]=c[0]+1
ENDQWHILE

经典表达式

OriginIR可以在量子程序中嵌入经典表达式，如c[0]==c[1]+c[2]；使用示例：

QWHILE c[0]<5
H q[c[0]]
c[0]=c[0]+1
ENDQWHILE

该示例表示对q[0]~q[4]比特做H门操作；经典表达式中必须是经典寄存器和常量组成的表达式；经典表达式的操作符有

{PLUS , "+"},
{MINUS, "-"},
{MUL, "*"},
{DIV, "/"},
{EQUAL, "==" },
{ NE, "!=" },
{ GT, ">" },
{ EGT, ">=" },
{ LT, "<" },
{ ELT, "<=" },
{AND, "&&"},
{OR, "||"},
{NOT, "!"},
{ASSIGN, "=" }

MEASURE操作

MEASURE表示对指定的量子比特进行测量操作，并把结果保存到指定的经典寄存器中。MEASURE后跟空格+目标量子比特+‘，’+目标经典寄存器。示例：

MEASURE q[0],c[0]

如果申请的量子比特和经典寄存器数量相同。可以使用q表示所有量子比特，c表示所有经典比特。示例：

MEAUSRE q,c

如果量子比特和经典比特数量都为3，则等效为

MEAUSRE q[0],c[0]
MEAUSRE q[1],c[1]
MEAUSRE q[2],c[2]

RESET操作

RESET操作是将操作的量子比特的量子态恢复到0态。格式为RESET+空格+目标量子比特。其中目标量子比特可以是整个量子比特数组或者单个量子比特。示例：

RESET q

RESET q[1]

BARRIER操作

BARRIER操作是将操作的量子比特进行阻断，防止在线路优化和执行过程。格式为BARRIER+空格+目标量子比特。其中目标量子比特可以是整个量子比特数组或者单个、多个量子比特。示例：

BARRIER q
BARRIER q[0]
BARRIER q[0],q[1],q[2]

QGATE操作

QGATE为自定义逻辑门操作，可以将多个逻辑门组合成一个新的逻辑门使用。它通过QGATE和ENDQGATE框定自定义逻辑门的范围。同时需要注意的是，自定义逻辑门的形参名不能与上述相关关键字冲突。示例：

QGATE new_H a
H a
X a
ENDQGATE
new_H q[1]
QGATE new_RX a,(b)
RX a,(PI/2+b)
X a
ENDQGATE
new_RX q[1],(PI/4)

OriginIR程序示例

OPE算法

QINIT 3
CREG 2
H q[2]
H q[0]
H q[1]
CONTROL q[1]
RX q[2],(-3.141593)
ENDCONTROL
CONTROL q[0]
RX q[2],(-3.141593)
RX q[2],(-3.141593)
ENDCONTROL
DAGGER
H q[1]
CR q[0],q[1],(1.570796)
H q[0]
ENDDAGGER
MEASURE q[0],c[0]
MEASURE q[1],c[1]

QPanda2提供了OriginIR转换工具接口 std::string convert_qprog_to_originir(QProg &, QuantumMachine*) 该接口使用非常简单，具体可参考下方示例程序。

实例

下面的例程通过简单的接口调用演示了量子程序转化OriginIR的过程

#include "QPanda.h"
USING_QPANDA

int main(void)
{
    auto qvm = CPUQVM();
    qvm.init();
    auto prog = QProg();
    auto cir = QCircuit();

    auto q = qvm.qAllocMany(6);
    auto c = qvm.cAllocMany(6);


    cir << Y(q[2]) << H(q[2]);
    cir.setDagger(true);

    auto h1 = H(q[1]);
    h1.setDagger(true);

    // 构建量子程序
    prog << H(q[1])
        << X(q[2])
        << h1
        << RX(q[1], 2 / PI)
        << cir
        << CR(q[1], q[2], PI / 2)
        << MeasureAll(q,c);

    // 量子程序转换QriginIR，并打印OriginIR
    std::cout << convert_qprog_to_originir(prog,&qvm) << std::endl;

    return 0;
}

具体步骤如下:

首先在主程序中用 CPUQVM() 初始化一个量子虚拟机对象，用于管理后续一系列行为

然后调用``init()``函数来初始化虚拟机

接着用 qAllocMany() 和 cAllocMany() 初始化量子比特与经典寄存器数目

然后调用 QProg() 构建量子程序

最后调用接口 convert_qprog_to_originir 输出OriginIR字符串，并用 destroyQuantumMachine 释放系统资源

运行结果如下：

QINIT 6
CREG 6
H q[1]
X q[2]
DAGGER
H q[1]
ENDDAGGER
RX q[1],(0.636620)
DAGGER
Y q[2]
H q[2]
ENDDAGGER
CR q[1],q[2],(1.570796)
MEASURE q[0],c[0]
MEASURE q[1],c[1]
MEASURE q[2],c[2]
MEASURE q[3],c[3]
MEASURE q[4],c[4]
MEASURE q[5],c[5]

备注

对于暂不支持的操作类型，OriginIR会显示UnSupported XXXNode，其中XXX为具体的节点类型。