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QRunes生成器说明书

一.简介

QRunes生成器是本源量子推出的量子代码生成器，用来生成QRunes代码模块。QRunes生成器可以使用户更方便地写QRunes代码，QRunes生成器可定义满足特定功能的量子函数，然后调用这个函数即可生成对应的QRunes代码。

二.使用说明

QRunes生成器是用C++书写的QRunes代码工具，下面介绍QRunes生成器中的基本变量类型和基本函数。

1.基本变量类型

基本变量类型描述了量子程序中的量子变量，声明在QRState.h中。

qubit

qubit表示量子比特型变量，用来定义一个量子比特，示例如下：

qubit a;
//定义一个量子比特，名称为a

qVec

qVec表示量子比特数组，用来定义多个量子比特，示例如下：

qVec b[5];
//定义一个量子比特数组，里面包含五个量子比特

qRefList

qRefList 是一种容器型变量，容器元素是量子比特指针，用来存放指向量子比特的指针，示例如下：

qRefList qre;           //定义qRefList型变量 qre
qubit q1;               //定义量子比特 q1
qVec q[2];              //定义包含两个量子比特的数组q[2]
qre.push_back(&q1);     //将q1量子比特地址插入到qre
qre.push_back(&q[1]);   //将q[2]中2号量子比特q[1]地址插入到qre

ancilla

ancilla表示辅助量子比特，用来定义辅助量子比特，辅助量子比特只会作用在定义它的函数中，调出定义它的函数后，辅助比特会自动释放，示例如下：

ancilla qa;
//定义辅助量子比特qa

aVec

aVec表示辅助量子比特数组，用来定义辅助量子比特数组，其作用范围与辅助比特一样，示例如下：

aVec qa[5];
//定义包含5个量子比特的数组

2.基本函数

可以使用的基本函数包括各种逻辑门或者控制语句，它们声明在QRGateController.h中。

RX/RY/RZ

RX/RY/RZ分别是QRunes代码中的RX/RY/RZ指令生成函数，输入参数有两个，分别为qubit型和double型，表示对应的量子比特和旋转的角度，角度单位为弧度。示例如下：

qubit q;
qVec  qv[5];
double theta=3.1415926;
RX(q,theta)         //RX操作，对应量子比特为q,旋转角度为theta  
RY(qv[2],theta/2);  //RY操作，对应量子比特为qv[2],旋转角度为theta/2
RZ(qv[0],1);        //RZ操作，对应量子比特为qv[0],旋转角度为1

Hadamard

Hadamard操作生成函数，输入参数为qubit型，表示对应的量子比特，示例如下：

qubit q;
Hadamard(q);        //Hadamard操作，对应量子比特为q

CNOT

CNOT操作生成函数，输入参数为两个qubit型，表示对应量子比特，示例如下：

qVec q[10];
CNOT(q[2],q[6]);    //CNOT操作，对应量子比特分别为q[2],q[6],q[2]表示控制量子比特，q[6]表示目标量子比特

CR

CNOT操作生成函数，输入参数为两个qubit型和一个double型，分别表示对应量子比特和旋转角度，示例如下：

qVec q[4];
double theta=2.3;
CR(q[3],q[0],theta);
//CR操作，对应量子比特分别为q[4],q[0]。q[4]表示控制量子比特，q[0]表示目标量子比特，theta表示旋转角度

Toffoli

Toffoli操作生成函数，输入参数为三个qubit型，分别表示对应量子比特，示例如下：

qVec q[20];
Toffoli(q[2],q[4],q[6]);
//Toffoli操作，对应量子比特分别为q[2],q[4],q[6]。q[2],q[4]表示控制量子比特，q[6]表示目标量子比特

Measure

Measure操作生成函数，输入参数为qubit型，表示对应量子比特，示例如下：

qubit q;
Hadamard(q);
Measure(q);         //Measure操作，对应量子比特为q

三. 示例

下面举两个用QRunes生成器生成的两种电路，量子傅里叶变换QFT和量子加法器qAdder

1. QFT

void qft(qRefList q)
{
    if (q.size() == 0)    // if q has no qubit, do nothing
    {
        return;
    }
    if (q.size() == 1)    // if q only has 1, just hadamard it
    {
        Hadamard(*q[0]);
    }
    else
    {
        qubit* lastQ = q.back();
        q.pop_back();
        qft(q);
        for (int i = 0; i < q.size(); i++)
        {
            CR(*lastQ, *(q[i]), PI / pow(2, q.size() - i));
        }
        Hadamard(*lastQ);
    }
}

2. qAdder

量子加法器包含两个子函数MAJ和UMA，定义如下：

//MAJ函数
void MAJ(qubit& a, qubit& b, qubit&c)
{
    CNOT(c, b);
    CNOT(c, a);
    Toffoli(a, b, c);
}
//UMA函数
void UMA(qubit& a, qubit& b, qubit&c)
{
    Toffoli(a, b, c);
    CNOT(c, a);
    CNOT(a, b);
}
//qadder函数
void adder(qRefList a, qRefList b, qubit& c)
{
    size_t dim = a.size();
    ancilla temp;
#define a *a        //这种宏定义用来简化写法
#define b *b
    MAJ(temp, a[0], b[0]);
    for (size_t i = 0; i < dim - 1; i++)
    {
        MAJ(b[i], a[i + 1], b[i + 1]);
    }
    CNOT(b[dim - 1], c);
    for (size_t i = dim - 2; i > 0; i--)
    {
        UMA(b[i], a[i + 1], b[i + 1]);
    }
    UMA(b[0], a[1], b[1]);
    UMA(temp, a[0], b[0]);
#undef a *a
#undef b *b
}