MATLAB 量子计算快速入门指南

您可以使用 MATLAB Support Package for Quantum Computing 构建、仿真和运行量子算法。

>> 构建
	量子电路对象	绘图	矩阵
单量子位门
对量子电路应用单量子位门。括号 () 中的数值是该门所作用的量子位索引。
语法	`>> qc=quantumCircuit(xGate(1))`	`>> plot(qc)`	`>> getMatrix(qc)`
输出	`NumQubits:1Gates:[1×1 quantum.gate.SimpleGate]`

旋转门是接受两个参量的单量子位门。第一个参量是该门所作用的量子位索引，第二个参量是以弧度为单位的旋转角度或相位 (θ)

带一个控制量子位的门

对量子电路应用带一个控制量子位的门。这些门在括号 () 中有两个参量；第一个是控制量子位，第二个是目标量子位。如果控制量子位处于 |0> 态，则该门不执行任何操作。如果控制量子位处于 |1> 态，则指定的门作用于目标量子位。>> cxGate(control,target)

量子位索引 1：控制量子位
量子位索引 2：目标量子位

受控旋转门是接受三个参量的双量子位门。第一个参量是控制量子位，第二个参量是目标量子位，第三个参量是以弧度为单位的旋转角度或相位 (θ)。

双量子位门	描述
`cxGate(1,2)`	cxGate 或 cnotGate = 如果量子位 1 处于 \|1> 态，则对量子位 2 绕 x 轴旋转 π
`cyGate(1,2)`	cyGate = 如果量子位 1 处于 \|1> 态，则对量子位 2 绕 y 轴旋转 π
`czGate(1,2)`	czGate = 如果量子位 1 处于 \|1> 态，则对量子位 2 绕 z 轴旋转 π
`chGate(1,2)`	chGate = 受控哈达玛门

特殊门

门	描述
`compositeGate (qc, [1,2])`	从内部量子电路构造复合门，并返回 CompositeGate 对象。qc 是示例中的内部量子电路。
`ccxGate(1,2,3)`	双受控 X 门（CCNOT 或 Toffoli 门）
`mcxGate(1:3,4,5)`	多受控 X 门第一个参量是三个控制量子位（1、2、3），第二个参量是一个目标量子位 (4)，第三个参量是一个辅助量子位 (5)。该门基于控制量子位的状态对单个目标量子位进行操作，辅助量子位的数量确定简单门的数量
`qftGate(1:3)`	量子傅里叶变换 (QFT) 门

在以下门中，除 swapGate （接受两个参量）以外，第一个和第二个参量是量子位索引，第三个参量是相位 (θ)。对于以下所有门，交换两个目标量子位不会更改门的操作。

>> 仿真
量子电路操作
操作	示例	输出
`plot` = 绘制量子电路	`>> gates=[hGate(1); cxGate(1,2)];` `>> bell=quantumCircuit(gates, name="bell"); % 电路` `>> plot(bell) % 绘图`
`inv` = 量子电路或门的逆电路	`>> bell_inverted=inv(bell);` `plot(bell_inverted)`
`getMatrix` = 量子电路或门的矩阵表示	`>> getMatrix(bell)`
`generateQASM` = 生成 QASM 代码	`>> generateQASM(bell)`	`"OPENQASM 3.0;``include "stdgates.inc"; qubit[2] q; bit[2] c; h q[0]; cx q[0],q[1]; c=measure q;"`
`simulate(circuit, inputState),` 对电路进行仿真并指定电路的初始量子状态，返回 QuantumState 对象	`>> simulate(bell)`	`BasisStates: [4×1 string]``Amplitudes: [4×1 double] NumQubits:2`
`unpack` = 展开量子电路内部的复合门	`>> not_custom=[cxGate(1,2)];` `>> qc_inner=quantumCircuit(cnot_custom);` `>> gates_appended=[hGate(1) compositeGate(qc_inner,[1 2]) compositeGate(qc_inner,[2 3])];` `>> circ=quantumCircuit(gates_appended);` `>> plot(circ) % 已打包的复合门` `>> plot(unpack(circ, "recursive"))`

仿真的量子电路操作
操作	示例	输出
初始化电路的量子状态，其中量子位 1（电路图中的顶部量子位）设置为 \|1>，第二个设置为 \|0>	`S=simulate(bell,"10")`	`QuantumState with properties:` `BasisStates: [4×1 string]` `Amplitudes: [4×1 double]` `NumQubits:2`
显示输出基态及其振幅	`S.BasisStates S.Amplitudes`	`BasisStates:"00" "01" "10" "11"``Amplitudes:0.7071 0 0 -0.7071`
显示电路的最终状态，例如用于表示每个量子位的基	`f=formula(S)` `f2=formula(S,Basis="X")`	*`ans = "0.70711 \|00> + -0.70711`*` \|11>" ans = "0.70711 * \|+-> + 0.70711 * \|-+>"`
显示可能的状态以及测量到每个状态的概率	`[states,P]=querystates(S)`	`states = "``00" P= 0.5 "11" 0.5`
以任意次数对电路的量子状态进行随机采样	`M=randsample(S,50); T=table(M.Counts,M.Probabilities,M.MeasuredStates, VariableNames=["Counts", "\{}Probabilities\{}", "States"])`	`ans = 2×3 table Counts Probabilities States 28 0.56 "00" 22 0.44 "11"`

>> 在 AWS 上运行和 >> IBM Quantum
函数	描述
`dev=QuantumDeviceAWS("SV1", Region=reg, S3Path=bucketPath)`	连接到 Amazon Braket 设备，指定设备名称、区域和要存储结果的 S3 存储桶路径
`dev=QuantumDeviceIBM("ibmq_qasm_simulator", ...AccountName=myAccountName, FileName=myFileName);`	连接到 IBM 量子设备，指定设备名称和帐户凭据
`fetchDetails(device)`	获取关于该设备的其他信息
`task=run(circuit, dev);`	创建一个任务以在设备上运行该电路
`wait(task)`	检查任务的状态
`meas=fetchOutput(task);`	检索电路运行的结果

>> 可视化
`Matrix representation of \|0>` `is [1;0] >> plotBlochSphere([1;0])`	`>> plot(qftGate(1:3))`	`>> histogram(states)`
>> GitHub 上的示例

Matrix representation of |0>

is [1;0] >> plotBlochSphere([1;0])

>> plot(qftGate(1:3))

>> histogram(states)

>> GitHub 上的示例