1.2.4　量子線路

量子線路又稱量子邏輯電路，是最常用的通用量子計算模型，它表示在抽象概念下，對量子比特進行操作的線路。量子線路的組成包括量子比特、線路（時間線），以及各種量子邏輯門，最后常需要通過量子測量將結果讀取出來。與傳統(tǒng)電路用金屬線進行連接以傳遞電壓信號或電流信號不同，在量子線路中，線路是由時間連接，即量子比特的狀態(tài)隨著時間自然演化，這個過程遵循哈密頓算符（Hamiltonian Operator）的指示，直到遇上量子邏輯門而被操作。由于組成量子線路的每一個量子邏輯門都是一個酉算符，所以整個量子線路整體也是一個大的酉算符。下面看幾個具體的例子。

對于1個控制比特和1個目標比特，受控 U門由圖1.6所示線路表示。

4個控制比特和3個目標比特下的受控操作如圖1.7所示。

圖1.6　受控U門

圖1.7　受控操作示例

對于三比特門，當、和（NOT門）時，可得到Toffoli門：

(1.43)

Toffoli門的線路表示如圖1.8所示。

當、且U門為SWAP門時，可得到Fredkin門：

(1.44)

Fredkin門的線路表示如圖1.9所示。

圖1.8　Toffoli門的線路表示

圖1.9　Fredkin門的線路表示

在QPanda中，QCircuit類（量子線路類）是一個僅加載量子邏輯門的容器類型。初始化一個QCircuit對象的方式如下。

 1      cir = QCircuit()

讀者可以通過如下方式向QCircuit對象的尾部填充量子邏輯門。這里，QPanda重載了運算符“”，用于向量子線路中插入量子操作。

 1      cir << X(qubits)

QCircuit的使用方式如代碼1.1所示（PyQPanda是Python版的QPanda）。

代碼1.1　QCircuit的使用方式

 1  import pyqpanda as pq
 2  
 3  
 4  if __name__ == '__main__':
 5  
 6      qvm = pq.CPUQVM()
 7      qvm.initQVM()
 8      qubits = qvm.qAlloc_many(2)
 9      cubits = qvm.cAlloc_many(2)
10      # 申請量子線路容器
11      cir = pq.QCircuit()
12      prog = pq.QProg()
13      # 給量子線路插入量子邏輯門，量子線路中不能包含量子邏輯門之外的任何操作，包括測量操作
14      cir << pq.H(qbits[0])\
15          << pq.CNOT(qubits[0],qubits[1])
16      prog << cir\
17           << pq.measure_all(qubits,cbits)
18      result = qvm.run_with_configuration(prog,cbits,1000)
19      print(result)

代碼1.1申請了一個量子線路cir，并向cir中插入了H門和CNOT門。需要注意的是，量子線路中不能包含量子邏輯門之外的操作（如測量操作），所以想要在量子計算機中運行量子線路并獲取計算結果，就需要把量子線路放到量子程序中。