OriginIR

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：QINIT 6。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+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+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]
ENDQIF

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]
ENDQIF

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：

MEASURE q,c

如果量子比特和经典比特数量都为3，则等效为

MEASURE q[0],c[0]
MEASURE q[1],c[1]
MEASURE 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

QPE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 convert_qprog_to_originir 该接口使用非常简单。

convert_qprog_to_originir(qprog: QProg, machine: QuantumMachine) → str

该函数用于将给定的量子程序转化为 OriginIR 格式的字符串，以便于进一步分析和处理。OriginIR 是一个中间表示（IR），用于表示量子程序的信息。

参数:

• qprog (QProg) -- 要转化的量子程序。

• machine (QuantumMachine) -- 用于转化的量子机器。

返回:

转化后的 OriginIR 格式的字符串。

返回类型:

str

该函数接受一个量子程序和一个量子机器作为参数，然后将给定的量子程序转化为 OriginIR 格式的字符串。

示例用法:

# 创建一个量子机器和一个量子程序
machine = CPUQVM()
qvm.init_qvm()

qprog = QProg()

# 将量子程序转化为 OriginIR 格式的字符串
originir_str = convert_qprog_to_originir(qprog, machine)

# 打印转化后的 OriginIR 字符串
print(originir_str)

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

from pyqpanda import *

if __name__ == "__main__":

    machine = CPUQVM()
    machine.init_qvm()
    qlist = machine.qAlloc_many(4)
    clist = machine.cAlloc_many(4)
    prog = QProg()
    prog_cir = QCircuit()

    # 构建量子线路
    prog_cir << Y(qlist[2]) << H(qlist[2]) << CNOT(qlist[0],qlist[1])


    # 构建量子程序
    prog << H(qlist[2]) << Measure(qlist[1],clist[1])

    # 量子程序转换QriginIR，并打印OriginIR
    print(convert_qprog_to_originir(prog,machine))

具体步骤如下:

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

• 接着用 qAlloc_many 和 cAlloc_many 初始化量子比特与经典寄存器数目

• 然后调用 create_empty_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 destroy_quantum_machine 释放系统资源

运行结果如下：

QINIT 4
CREG 4
H q[2]
MEASURE q[1],c[1]

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。

通过该功能模块，你可以解析OriginIR文本文件，将其中的量子逻辑门操作信息提取出来，得到QPanda 2内部可操作的量子程序。

QPanda 2提供了OriginIR文件转换工具接口 convert_originir_to_qprog 该接口使用非常简单

convert_originir_to_qprog(file_path: str, machine: QuantumMachine) → list

将 OriginIR 指令集转换为量子程序的函数

该函数将 OriginIR 指令集文件转换为量子程序。

param file_path:

OriginIR 文件的文件路径。

type file_path:

str

param machine:

初始化的量子机器。

type machine:

QuantumMachine

return:

包含转换后的 QProg、量子比特列表和经典比特列表的列表。

rtype:

list

raises run_fail:

转换 OriginIR 到 QProg 失败。

该函数的主要目的是读取给定的 OriginIR 指令集文件，并将其转换为一个 QProg 量子程序。要进行转换的 OriginIR 文件路径需要提供，同时需要提供一个初始化的量子机器。返回的结果列表包含了转换后的 QProg，以及用于 QProg 的量子比特列表和经典比特列表。

示例用法:

# 初始化量子机器
qvm = CPUQVM()
qvm.init_qvm()

# 转换 OriginIR 文件为 QProg

result = convert_originir_to_qprog("path/to/originir/file.ir", qvm)
qprog, qubit_list, cbit_list = result

接下来通过简单的接口调用演示了OriginIR转化量子程序的过程

from pyqpanda import *
if __name__=="__main__":

    machine = CPUQVM()
    machine.init_qvm()
    # 编写OriginIR文件
    f = open('testfile.txt', mode='w',encoding='utf-8')
    f.write("""QINIT 4
        CREG 4
        DAGGER
        X q[1]
        X q[2]
        CONTROL q[1], q[2]
        RY q[0], (1.047198)
        ENDCONTROL
        ENDDAGGER
        MEASURE q[0], c[0]
        QIF c[0]
        H q[1]
        H q[2]
        RZ q[2], (2.356194)
        CU q[2], q[3], (3.141593, 4.712389, 1.570796, -1.570796)
        CNOT q[2], q[1]
        ENDQIF""")

    f.close()

    # OriginIR转换量子程序, 返回转换后的量子程序、量子程序使用的量子比特以及经典寄存器
    prog, qv, cv = convert_originir_to_qprog("testfile.txt", machine)

    # 量子程序转换OriginIR，打印并对比转换结果
    print(convert_qprog_to_originir(prog,machine))

具体步骤如下:

• 首先编写OriginIR，并将其保存到指定文件中

• 接着在主程序中用 init_quantum_machine 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 convert_originir_to_qprog 接口将OriginIR转换为量子程序

• 最后调用 convert_qprog_to_originir 接口，把量子程序转为OriginIR，通过比较输入和生成的OriginIR是否相同，判断OriginIR是否正确转换成量子程序，并且用 destroy_quantum_machine 释放系统资源

运行结果如下：

QINIT 4
CREG 4
DAGGER
X q[1]
X q[2]
CONTROL q[1],q[2]
RY q[0],(1.047198)
ENDCONTROL
ENDDAGGER
MEASURE q[0],c[0]
QIF c[0]
H q[1]
ELSE
H q[2]
RZ q[2],(2.356194)
CU q[2],q[3],(3.141593,4.712389,1.570796,-1.570796)
CNOT q[2],q[1]
ENDQIF

备注

对于暂不支持的操作类型，可能会在OriginIR转化成量子程序的过程中发生错误。

QASM

---

通过该功能模块，你可以解析QASM文本文件，将其中的量子逻辑门操作信息提取出来，得到QPanda 2内部可操作的量子程序。

QASM介绍

QPanda 2提供了QASM文件转换工具接口 convert_qasm_to_qprog 该接口使用非常简单。

convert_qasm_to_qprog(file_path: str, machine: QuantumMachine) → list

该函数的作用是从给定的 QASM 文件中读取指令集并将其转换为量子程序，同时需要提供一个已初始化的量子机器实例。

参数:

• file_path (str) -- QASM 文件路径。

• machine (QuantumMachine) -- 已初始化的量子机器实例。

返回:

包含转换后的 QProg、量子比特列表和经典比特列表的列表。

返回类型:

list

抛出:

run_fail -- QASM 转换为 QProg 失败。

返回的列表包含了转换后的 QProg 以及与之关联的量子比特列表和经典比特列表。您可以根据需要进一步操作这些信息，例如执行量子程序、获取测量结果等。

示例用法:

# 初始化 QuantumMachine 实例
machine = CPUQVM()
machine.init_qvm()

# 将 QASM 文件转换为 QProg
result = convert_qasm_to_qprog("my_circuit.qasm", machine)
qprog, qubit_list, cbit_list = result

# 执行量子程序并获取测量结果
machine.run(qprog, qubit_list)
measurement_results = machine.get_prob_dict(qubit_list)

接下来通过简单的接口调用演示了QASM转化量子程序的过程

from pyqpanda import *

if __name__=="__main__":

    machine = CPUQVM()
    machine.init_qvm()

    # 编写QASM文件
    f = open('testfile.txt', mode='w',encoding='utf-8')
    f.write("""// test QASM file
        OPENQASM 2.0;
        include "qelib1.inc";
        qreg q[3];
        creg c[3];
        x q[0];
        x q[1];
        z q[2];
        h q[0];
        tdg q[1];
        measure q[0] -> c[0];
        """)
    f.close()

    # QASM转换量子程序， 并返回量子程序、量子比特以及经典寄存器
    prog_trans, qv, cv = convert_qasm_to_qprog("testfile.txt", machine)

    # 量子程序转换QASM
    qasm = convert_qprog_to_qasm(prog_trans,machine)

    # 打印并对比转换结果
    print(qasm)

具体步骤如下:

• 首先编写QASM，并将其保存到指定文件中。

• 接着在主程序中用 init_quantum_machine 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 convert_qasm_to_qprog 接口将QASM转换为量子程序。

• 最后调用 convert_qprog_to_qasm 接口，把量子程序转为QASM，通过比较量子程序执行结果，判断QASM是否正确转换成量子程序，并且用 destroy_quantum_machine 释放系统资源。

运行结果如下：

OPENQASM 2.0;
include "qelib1.inc";
qreg q[3];
creg c[3];
u3(1.5707963267949037,3.1415926535897931,3.1415926535897931) q[0];
u3(3.1415926535897931,2.3561944901923386,0) q[1];
u3(0,3.1415926535897931,0) q[2];
measure q[0] -> c[0];

备注

上述示例中，由于QASM支持U3门，所以在QProg转QASM时，对量子线路做了优化，输出的QASM中只有U3门，这样可以有效降低量子线路深度。对于暂不支持的操作类型，可能会在QASM转化成量子程序的过程中发生错误。

QASM(Quantum Assembly Language)是IBM公司提出的量子汇编语言，与 QRunes介绍 中的语法规则类似，一段QASM代码如下所示：

OPENQASM 2.0;
include "qelib1.inc";
qreg q[10];
creg c[10];

x q[0];
h q[1];
tdg q[2];
sdg q[2];
cx q[0],q[2];
cx q[1],q[4];
u1(pi) q[0];
u2(pi,pi) q[1];
u3(pi,pi,pi) q[2];
cz q[2],q[5];
ccx q[3],q[4],q[6];
cu3(pi,pi,pi) q[0],q[1];
measure q[2] -> c[2];
measure q[0] -> c[0];

需要注意的是，QASM的语法格式与QRunes形相似而神不同，主要区别有以下几点:

• QRunes对于需要进行转置共轭操作的量子逻辑门与量子线路，需要将目标置于DAGGER与ENDAGGER语句之间，而QASM会直接进行转化。

• QRunes支持对量子逻辑门与量子线路施加控制操作，而QASM不支持，在对量子程序转化QASM指令集之前，会对其中包含的控制操作进行分解。

QPanda2提供了QASM转换工具接口 convert_qprog_to_qasm 该接口使用非常简单。

convert_qprog_to_qasm(qprog: QProg, machine: QuantumMachine) → str

该函数将给定的量子程序转换为 QASM 指令字符串。QASM 是一种用于描述量子程序的文本格式，可以用于与其他量子计算平台进行交互和兼容。

参数:

• qprog (QProg) -- 要转换的量子程序。

• machine (QuantumMachine) -- 用于转换的量子机器。

返回:

存储转换后 QASM 指令的字符串。

返回类型:

str

抛出:

run_fail -- 转换量子程序为 QASM 失败。

示例用法:

# 创建一个量子机器
qvm = CPUQVM()
qvm.init_qvm()

# 创建一个量子程序
prog = QProg()

# 将量子程序转换为 QASM 指令字符串
qasm_string = convert_qprog_to_qasm(prog, qvm)

下面的例程通过简单的接口调用演示了量子程序转化QASM指令集的过程

from pyqpanda import *

if __name__ == "__main__":
    qvm = CPUQVM()
    qvm.init_qvm()
    q = qvm.qAlloc_many(6)
    c = qvm.cAlloc_many(6)
    prog = QProg()
    cir = QCircuit()
    cir << T(q[0]) << S(q[1]) << CNOT(q[1], q[0])
    prog << cir
    prog << X(q[0]) << Y(q[1]) << CU(1.2345, 3, 4, 5, q[5], q[2])\
        << H(q[2]) << RX(q[3], 3.14)\
        << Measure(q[0], c[0])

    qasm = convert_qprog_to_qasm(prog, qvm)
    print(qasm)
    qvm.finalize()

具体步骤如下:

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

• 接着用 qAlloc_many 和 cAlloc_many 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_qasm 输出QASM指令集。finalize() 用于释放系统资源。

运行结果如下：

OPENQASM 2.0;
include "qelib1.inc";
qreg q[6];
creg c[6];
u3(0,0.78539816339744828,0) q[0];
u3(0,1.5707963267948966,0) q[1];
cx q[1],q[0];
u3(3.1415926535897931,0,3.1415926535897931) q[0];
u3(3.1415926535897931,0,0) q[1];
u3(0,-0.33629632679489674,0) q[5];
u3(1.5707963267948968,0,2.4689999999999994) q[2];
cz q[5],q[2];
u3(0.33629632679489924,-1.5707963267948966,1.5707963267948966) q[2];
cz q[5],q[2];
u3(1.1586360625022274,0.30011082466761058,-0.12333631564044467) q[2];
u3(0,1.5707963267948963,0) q[5];
cz q[5],q[2];
u3(1.4173486819813736,2.7391542832240892,-1.915529794610245) q[2];
cz q[5],q[2];
u3(1.8052963267948967,-1.5707963267948966,1.5707963267948966) q[2];
u3(3.1400000000000001,-1.5707963267948966,1.5707963267948966) q[3];
measure q[0] -> c[0];

Quil

简介

Quil可以从一个很低级的层次直接描述量子程序、量子算法，它的地位类似于经典计算机中的硬件描述语言或者汇编语言。Quil基本采用“指令+参数列表”的设计方法。一个简单的量子程序例子如下：

X 0
Y 1
CNOT 0 1
H 0
RX(-3.141593) 0
MEASURE 1 [0]

• X 的作用是对目标量子比特进行 Pauli-X 门操作。与之类似的关键词有 Y 、Z 、 H 等等。

• Y 的作用是对目标量子比特进行 Pauli-Y 门操作。

• CNOT 的作用是对两个量子比特执行 CNOT 操作。输入参数为控制量子比特序号和目标量子比特序号。

• H 的作用是对目标量子比特进行 Hadamard 门操作。

• MEASURE 的作用对目标量子比特进行测量并将测量结果保存在对应的经典寄存器里面，输入参数为目标量子比特序号和保存测量结果的经典寄存器序号。

上述仅为Quil指令集语法的一小部分， 详细介绍请参考 pyQuil 。

接口介绍

convert_qprog_to_quil(qprog: QProg, machine: QuantumMachine) → str

将 QProg 转换为 Quil 指令字符串

该函数用于将QProg转化为 Quil（Quantum Instruction Language）指令字符串。Quil 是一种量子程序语言，用于描述量子线路的操作和演化。

param qprog:

要转换的 Quantum Program（QProg）。

type qprog:

QProg

param machine:

量子计算机实例，用于提供上下文环境。

type machine:

QuantumMachine

return:

Quil 指令字符串。

rtype:

str

示例用法:

quil_code = convert_qprog_to_quil(qprog, machine)  # 将 QProg 转化为 Quil 指令字符串

我们先用pyqpanda构建一个量子程序：

prog = QProg()
prog << X(qubits[0]) << Y(qubits[1])\
    << H(qubits[2]) << RX(qubits[3], 3.14)\
    << Measure(qubits[0], cbits[0])

然后调用 convert_qprog_to_quil 接口实现转化

quil = convert_qprog_to_quil(prog, qvm)

实例

from pyqpanda import *

if __name__ == "__main__":
    qvm = CPUQVM()
    qvm.init_qvm()
    qubits = qvm.qAlloc_many(4)
    cbits = qvm.cAlloc_many(4)
    prog = QProg()

    # 构建量子程序
    prog << X(qubits[0]) << Y(qubits[1])\
        << H(qubits[2]) << RX(qubits[3], 3.14)\
        << Measure(qubits[0], cbits[0])

    # 量子程序转换Quil， 并打印Quil
    quil = convert_qprog_to_quil(prog, qvm)
    print(quil)

运行结果：

DECLARE ro BIT[1]
X 0
Y 1
H 2
RX(3.140000) 3
MEASURE 0 ro[0]