通过基于 JSON 的中间表示将 Q#子集编译为 QASM 3.0 的 TypeScript 方法-计算机科学-编译工具链-编程语言.pdfVIP

通过基于JSON的中间表示将Q#子集编译为

QASM3.0的TypeScript方法

MarcusEdwards

ElectricalandComputerEngineering,

本UniversityofBritishColumbia,Vancouver,BC,CA

译2025年7月20日

中

2

v摘要

7

0我们实现了一个从Q#到QASM3.0的编译工具链，包括一个功能

4

3齐全的词法分析器和解析器实现，以及一个支持Q#子集特性的编译

2.器。词法分析器、解析器和编译器被证明可以与各种输入的Q#程序一

6起工作，并且实现了与其他现有的Q#编译工具进行了比较。与微软官

0

5方Q#编译工具链的实现不同，我们的实现是用TypeScript编写，以

2便将功能移植到网络环境。

:

v

i

x

r1介绍

a

Microsoft的Q#[SGT18]提供了一个强大的类型系统，用于在典型

的量子指令集架构之上进行高层次的抽象，包括经典和量子操作。特别地，

Q#包含一个强类型系统、上下文表达式、可调用对象、迭代器、条件分

支、循环、字面量、闭包、类似于Rust（即使用和借用声明）中提供的量

子内存管理工具、命名空间、注释以及一些特定于量子计算技术的功能，如

共轭操作和操作修饰符（例如受控和伴随）。我们实现了一个完整的Q#语

言语法解析器，将其转换为自定义的抽象语法树(AST)数据结构，这一设

计灵感部分来源于现有的npm库，包括Qasm-ts[KE24]、Blackbird-ts和

Qmasm-ts[Edw23]。在这些四种语言中，Q#代表了最复杂的语法解析要求，

1

因此需要一个更复杂的解析器实现。我们还实现了将Q#的一部分语言特

性编译为QASM3.0语法[CJAA22]。我们的实现是面向对象的，并基于

TypeScript，这已被证明是一个合理的“中间地带”选项，在类似应用中比

Python更高效，尽管不如Rust那么高效，Rust只能在更严格的环境中执

行[KE24]。编译工具链的部分可以独立使用，我们将在接下来的部分详细介

绍它们的实现细节。

2词法分析器实现

工具链始于词法分析器。词法分析器的任务是将输入的Q#代码翻译成

一系列有意义的记号。这些记号代表了与Q#语法中原子元素相对应的一组

有意义的字符集合。其中包括例如按位运算符!!!，等操作符，在

一起考虑时是有意义的，但如果作为三个元素序列，则解释起来毫无必要地

复杂化。然而，词法分析器并不负责生成我们感兴趣的所有的惯用抽象。因

此，由按位运算符组成的表达式将被转换成一系列如‘Token.BitwiseAnd’和

‘Token.BitwiseNot’的按位运算符记号，而不是像‘Expression’这样的抽象，

该抽象本身会有自己的元素和超过一层的抽象深度。任何深度大于一的抽象

都留给了解析器来处理，解析器的任务是根据词法分析器首先生成的记号生

成这些更高级别的抽象。