概述

OpenQASM（open quantum assembly language），即開放量子匯編語言，是一種命令式編程語言，它的特性類似于硬件描述語言（hardware description language），由 IBM 于 2017 年 7 月在其量子計算平臺推出，它能夠使用電路模型、基于測量的模型和近期量子計算實驗來描述通用的量子計算，也是目前適用范圍較廣的量子匯編語言，目前已更新至 3.0 版本。

OpenQASM 作為一個開源框架，廣泛用于基于門的設(shè)備的量子程序規(guī)范。借助 OpenQASM，用戶可以對構(gòu)成量子計算基石的量子門和測量操作進(jìn)行編程。目前，許多量子編程庫使用先前版本的 OpenQASM 2.0 來描述簡單的程序。

OpenQASM 在框架中提供了一組參數(shù)化的物理邏輯門和并發(fā)的實時經(jīng)典計算的集合。它的主要目標(biāo)是作為高級編譯器與量子硬件通信的中間表示載體，在表示形式上，也考慮到了人們使用它時的易讀性。特別是，該語言允許同一程序的不同表示形式，所以 OpenQASM 可以由 Composer 生成，也支持手寫，或者由更高層次的軟件工具來完成，比如 ProjectQ、Quil、Liquid 等等。

設(shè)計目標(biāo)

OpenQASM 3.0 與之前版本相比，增加了更多功能，例如脈沖電平控制、門定時和經(jīng)典控制流程，以彌補(bǔ)最終用戶界面和硬件描述語言之間的差距。總結(jié)起來，基本集中在以下三個方面：

• 具有經(jīng)典邏輯的更廣泛的計算系列。OpenQASM 3.0 引入經(jīng)典控制流、指令和數(shù)據(jù)類型來定義包括經(jīng)典數(shù)據(jù)實時計算的電路。外部機(jī)制允許對作用于運(yùn)行時數(shù)據(jù)的通用經(jīng)典計算進(jìn)行不透明引用。
• 顯式計時。OpenQASM 3.0 引入了一種靈活的機(jī)制來描述指令調(diào)度的設(shè)計意圖，同時保持獨(dú)立于門校準(zhǔn)確定的特定持續(xù)時間。例如，這可以實現(xiàn)動態(tài)去耦，同時保留電路的柵極級描述。
• 嵌入式脈沖電平定義。一種可擴(kuò)展的機(jī)制，用于將低級定義附加到門。這與校準(zhǔn)任務(wù)特別相關(guān)，校準(zhǔn)任務(wù)使用最容易在門級描述的誤差放大序列來優(yōu)化脈沖參數(shù)。

細(xì)節(jié)實現(xiàn)

遵循上述設(shè)計目標(biāo)，OpenQASM 3.0 相比之前的 OpenQASM 2.0 規(guī)范進(jìn)行了大幅擴(kuò)展升級。增加了許多經(jīng)典控制流和計算的新功能，使編寫量子算法更容易，并描述構(gòu)成這些算法一部分的經(jīng)典數(shù)據(jù)處理。然而，該語言并非設(shè)計用于通用經(jīng)典計算，并且在短期內(nèi)，任何執(zhí)行 OpenQASM 3.0 程序的硬件都不太可能支持該語言可以描述的全套數(shù)據(jù)操作。

OpenQASM 3.0 的硬件能夠保證它們在運(yùn)行時將處理性能穩(wěn)定在高效和實時執(zhí)行的操作上。這組操作在不同的實現(xiàn)工具下，實現(xiàn)方式會根據(jù)硬件種類略有所不同，需要提前了解不同硬件在運(yùn)行時可以實現(xiàn)哪些語言功能。隨著時間的推移，隨著量子控制的要求變得不那么繁重，實現(xiàn)組件可能會變得更加強(qiáng)大。

在將來 OpenQASM 3.0 的編譯器也會支持一些經(jīng)典操作，這些經(jīng)典操作會被合理地判斷為編譯時常量，并在編譯時執(zhí)行這些操作。上面所說到的“合理推斷”是指聲明為常量的值以及字面意義。例如，這意味著“科學(xué)計算器函數(shù)”（如sin、exp 等）將始終對只涉及兼容類型的字面符號和聲明為常量的值的表達(dá)式起作用，而且編譯器會將這些表達(dá)式完全折疊成單個常量。具體能夠如何實現(xiàn)，還需要我們繼續(xù)等待相關(guān)的適配工作。

示例

因為目前不是所有基于門的量子設(shè)備和模擬器都支持 OpenQASM 3.0 ，所以在一些代碼示例中，將會使用部分 OpenQASM 2.0 的內(nèi)容。

首先展示一下如何利用 OpenQASM 中的語法規(guī)則設(shè)置部分量子門：

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];

可以看到，OpenQASM 會直接對需要進(jìn)行轉(zhuǎn)置共軛操作的量子邏輯門與量子線路進(jìn)行直接轉(zhuǎn)化；并且在對量子程序轉(zhuǎn)化 QASM 指令集之前，會對其中包含的控制操作進(jìn)行分解。

目前在已開源的量子編程框架中，本源量子的 QPanda 框架提供了 QASM 轉(zhuǎn)換的工具接口的，接口為std::string convert_qprog_to_qasm(QProg &, QuantumMachine*)，使用方式也較為簡單。接下來我們可以來看看QPanda框架是如何進(jìn)行QASM轉(zhuǎn)換的：

#include "QPanda.h"
USING_QPANDA
int main(void)
{
    auto qvm = CPUQVM();
    qvm.init();
    auto prog = QProg();
    auto cir = Circuit();
    auto q = qvm.qAllocMany(6);
    auto c = qvm.cAllocMany(6);
    // 構(gòu)建量子程序
    cir << Y(q[2]) << H(q[2]);
    cir.setDagger(true);
    auto h1 = H(q[1]);
    h1.setDagger(true);
    prog << H(q[1])
         << X(q[2])
         << h1
         << RX(q[1], 2 / PI)
         << cir
         << CR(q[1], q[2], PI / 2)
         <<MeasureAll(q,c);
    // 量子程序轉(zhuǎn)換QASM，并打印QASM
    std::cout << convert_qprog_to_qasm(prog,qvm);
    return 0;
}

具體的操作步驟是這樣的：

1. 首先在主程序中用 CPUQVM() 初始化一個量子虛擬機(jī)對象，用于管理后續(xù)一系列行為
2. 然后調(diào)用init()函數(shù)來初始化虛擬機(jī)
3. 接著用 qAllocMany() 和 cAllocMany() 初始化量子比特與經(jīng)典寄存器數(shù)目
4. 然后調(diào)用 QProg() 構(gòu)建量子程序
5. 最后調(diào)用接口 convert_qprog_to_qasm 輸出QASM指令集并用 destroyQuantumMachine 釋放系統(tǒng)資源

最終的輸出結(jié)果如下：

OPENQASM 2.0;
include "qelib1.inc";
qreg q[6];
creg c[6];
h q[1];
x q[2];
h q[1];
rx(0.636620) q[1];
h q[2];
y q[2];
rz(-0.785398) q[2];
cx q[1],q[2];
rz(-0.785398) q[2];
cx q[1],q[2];
rz(1.570796) q[2];
rx(1.570796) q[1];
ry(-0.785398) q[1];
rx(-1.570796) q[1];
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];

接下來我們可以看看目前已經(jīng)支持了 OpenQASM 3.0 的 Amazon Braket，是如何利用 OpenQASM 3.0 語言的：

具體示例為如何利用 Braket 創(chuàng)建一個 OpenQASM 3.0 任務(wù)。比如，從準(zhǔn)備一個Gz狀態(tài)開始：

// ghz.qasm
// Prepare a GHZ state
OPENQASM 3;
qubit[3] q;
bit[3] c;
h q[0];
cnot q[0], q[1];
cnot q[1], q[2];
c = measure q;

或者我們還可以使用 Boto 3 創(chuàng)建 OpenQASM 3.0 任務(wù)。在下面的實例中，使用了 ghz.qasm：

import boto3
import json
my_bucket = "Amazon-braket-my-bucket"
s3_prefix = "openqasm-tasks"
with open("ghz.qasm") as f:
    source = f.read()
action = {
    "braketSchemaHeader": {
        "name": "braket.ir.openqasm.program",
        "version": "1"
    },
    "source": source
}
device_parameters = {}
device_arn = "arn:aws:braket:::device/qpu/rigetti/Aspen-11"
shots = 100
braket_client = boto3.client('braket', region_name='us-west-1')
rsp = braket_client.create_quantum_task(
    action=json.dumps(
        action
    ),
    deviceParameters=json.dumps(
        device_parameters
    ),
    deviceArn=device_arn,
    shots=shots,
    outputS3Bucket=my_bucket,
    outputS3KeyPrefix=s3_prefix,
)

在噪聲模擬方面，我們也可以使用 OpenQASM 3.0 來完成。在 Braket 中提交以下程序即可完成噪聲模擬：

// ghz.qasm
// Prepare a GHZ state
OPENQASM 3;
qubit[3] q;
bit[3] c;
h q[0];
#pragma braket noise depolarizing(0.75) q[0] cnot q[0], q[1];
#pragma braket noise depolarizing(0.75) q[0]
#pragma braket noise depolarizing(0.75) q[1] cnot q[1], q[2];
#pragma braket noise depolarizing(0.75) q[0]
#pragma braket noise depolarizing(0.75) q[1]
c = measure q;

以下列表中提供了所有受支持的編譯指示噪聲運(yùn)算符的規(guī)范：

#pragma braket noise bit_flip(<float>) <qubit>
#pragma braket noise phase_flip(<float>) <qubit>
#pragma braket noise pauli_channel(<float>, <float>, <float>)  <qubit>
#pragma braket noise depolarizing(<float in [0,3/4]>) <qubit>
#pragma braket noise two_qubit_depolarizing(<float in [0,15/16]>) <qubit>, <qubit>
#pragma braket noise two_qubit_dephasing(<float in [0,3/4]>) <qubit>, <qubit>
#pragma braket noise amplitude_damping(<float in [0,1]>) <qubit>
#pragma braket noise generalized_amplitude_damping(<float in [0,1]> <float in [0,1]>)  <qubit>
#pragma braket noise phase_damping(<float in [0,1]>) <qubit>
#pragma braket noise kraus([[<complex m0_00>, ], ...], [[<complex m1_00>, ], ...], ...) <qubit>[, <qubit>]     // maximum of 2 qubits and maximum of 4 matrices for 1 qubit, 16 for 2
) <qubit>[, <qubit>]     // maximum of 2 qubits

QuQASM量子匯編語言

目前除了較為通用的 OpenQASM 開放量子匯編語言外，其實還存在很多專用匯編語言，這些語言在對應(yīng)設(shè)備的適配兼容性上，可能表現(xiàn)會更好。比如，啟科量子推出的一款量子匯編語言—— QuQASM ，是針對自研的量子編程框架 QuTrunk 來進(jìn)行適配的。

QuTrunk 使用 Python 作為宿主語言，利用 Python 的語法特性實現(xiàn)針對量子程序的 DSL (領(lǐng)域?qū)Ｓ谜Z言)， 把用于量子編程的專用語言稱為：QuQASM。它的主要特點(diǎn)是最左邊是一個量子門操作，中間加入( * )號鏈接符，最右邊是操作的量子比特，形式如下：

gate * qubits

為了方便理解，我們可以再多看看幾個例子：

H * q[0];               # 對q[0]做hadamard門操作
CNOT * (q[0], q[1]);    # q[0]為控制位，q[1]為目標(biāo)位
All(Measure) * q        # 對q代表的所有量子比特做測量操作

使用該標(biāo)準(zhǔn)是充分利用了 Python 語法對( * )運(yùn)算符的重載特性。該表形式更接近量子物理計算公式，同時 ( * )在計算機(jī)編程語言上表示乘法的意思，借此表示左邊的量子門操作實際上是對量子比特做矩陣乘法運(yùn)算。

使用該標(biāo)準(zhǔn)編寫的量子匯編是可以直接被 QuTrunk 解析運(yùn)行的，不需要做語法方面的解析處理工作?；谠撎匦?，QuTrunk 可以無縫銜接 QuBranch 通過可視化量子編程生成的量子線路。即 QuTrunk可以直接運(yùn)行 QuBranch 生成的量子線路（只需做一些簡單的初始化工作），而無需做語法上的轉(zhuǎn)譯處理。

下面是 QuQASM 每個量子門操作介紹：

//H(hadamard): 哈德馬門，對a做H門操作，常用于使量子比特處于疊加態(tài)
H * a
//X(NOT): 非門（Pauli-X）對a進(jìn)行取反操作, 量子比特繞布洛赫球的x軸旋轉(zhuǎn)pi角度
X * a
//Y: Pauli-Y, 量子比特繞布洛赫球的y軸旋轉(zhuǎn)pi角度
Y * a
//Z: Pauli-Z, 量子比特繞布洛赫球的z軸旋轉(zhuǎn)pi角度
Z * a
//CNOT(CX): 受控非門，a作為控制位，b為目標(biāo)位，如果a為1則對b進(jìn)行取反，如果a為0則不做任何操作
CNOT * (a, b)
//Toffoli: 托佛利門，a, b作為控制位，c為目標(biāo)位, 如果a,b均為1則對b進(jìn)行取反，否則不做任何操作
Toffoli * (a, b, c)
//Measure: 測量門，對a進(jìn)行測量，結(jié)果要么是0，要么是1，測量結(jié)果受概率振幅影響
Measure * a
//P: 相移門，將量子比特0>態(tài)和1>態(tài)的相位根據(jù)給定的角度進(jìn)行移動
P(theta) * a
//Rx: 量子比特繞布洛赫球的x軸旋轉(zhuǎn)theta角度
Rx(theta) * a
//Ry: 量子比特繞布洛赫球的y軸旋轉(zhuǎn)theta角度
Ry(theta) * a
//Rz: 量子比特繞布洛赫球的z軸旋轉(zhuǎn)theta角度
Rz(theta) * a
//S: 量子比特繞布洛赫球的z軸旋轉(zhuǎn)pi/2角度
S * a
//Sdg: 對S門的反向操作, 繞布洛赫球的z軸反方向旋轉(zhuǎn)pi/2角度
Sdg * a
//T: 量子比特繞布洛赫球的z軸旋轉(zhuǎn)pi/4角度
T * a
//Tdg: 對T門的反向操作, 繞布洛赫球的z軸反方向旋轉(zhuǎn)pi/4角度
Tdg * a
//Swap: 交換兩個量子比特的狀態(tài)
Swap * (a, b)
//SqrtSwap: 對兩個量子比特做sqrt交換
SqrtSwap * (a, b)
//SqrtX: 平方根X門
SqrtX * a
//Rxx: 兩個量子比特繞x^x旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度為theta
Rxx(theta) * (a, b)
//Ryy: 兩個量子比特繞y^y旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度為theta
Ryy(theta) * (a, b)
//Rzz: 兩個量子比特繞z^z旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度為theta
Rzz(theta) * (a, b)
//Barrier: 分隔量子比特，阻止量子線路對相應(yīng)量子比特做優(yōu)化等處理
Barrier * a
Barrier * (a, b)
//U1: 對單個量子比特繞z軸旋轉(zhuǎn)
U1(lambda) * a
//U2: 對單個量子比特繞x+z軸旋轉(zhuǎn)
U1(phi, lambda) * a
//U3: 通用單量子比特旋轉(zhuǎn)門
U1(theta, phi, lambda) * a
//All: 對其他量子門操作進(jìn)行封裝，提供對多量子比特便捷操作
All(Measure) * qreg (對qreg代表的所有量子比特進(jìn)行測量)
All(H) * qreg (對qreg代表的所有量子比特進(jìn)行H門操作)

我們可以利用 QuQASM 語言來完成量子電路圖的編譯和輸出，具體操作方法如下：

# import package
from QuTrunk.circuit import QCircuit
from QuTrunk.circuit.gates import H, CNOT, Measure, All
# allocate resource
qc = QCircuit()
qr = qc.allocate(2)
# apply quantum gates
H * qr[0]
CNOT * (qr[0], qr[1])
All(Measure) * qr
# print circuit
qc.print()
# run circuit
res = qc.run(shots=1024)
# print result
print(res.get_counts())
# draw circuit
print(qc.draw())

輸出結(jié)果如下所示：

qreg q[2]
creg c[2]
H(0) * (q[0])
CX(1) * (q[0], q[1])
Measure(0) * (q[0])
Measure(0) * (q[1])
[{"00": 519}, {"11": 505}]

參考鏈接：

1. OpenQASM 3.0.x Live Specification — OpenQASM Live Specification 文檔
2. 動態(tài)電路簡介 – IBM Quantum
3. IBM量子計算機(jī)編程語言-OpenQASM簡介
4. 量子程序轉(zhuǎn)化QASM — QPanda 文檔 (qpanda-tutorial.readthedocs.io)
5. 使用 OpenQASM 3.0 運(yùn)行你的電路 – Amazon Braket