Квантовое программирование - Quantum programming

Парадигмы программирования

Квантовое программирование это процесс сборка последовательности инструкций, называемые квантовыми программами, которые могут выполняться на квантовый компьютер. Квантовая языки программирования помогите выразить квантовые алгоритмы с использованием конструкций высокого уровня.[1]

Квантовые наборы инструкций

Наборы квантовых команд используются для превращения алгоритмов более высокого уровня в физические инструкции, которые могут выполняться на квантовых процессорах. Иногда эти инструкции относятся к конкретной аппаратной платформе, например ионные ловушки или же сверхпроводящие кубиты.

cQASM

cQASM,[2] также известный как общий QASM, это аппаратно-независимый QASM, который гарантирует совместимость между всеми инструментами квантовой компиляции и моделирования. Он был представлен лабораторией QCA Lab на TUDelft.

Quil

Основная статья: Quil (архитектура набора команд)

Quil представляет собой архитектуру набора команд для квантовых вычислений, которая впервые представила общую квантовую / классическую модель памяти. Его представили Роберт Смит, Майкл Кертис и Уильям Зенг в Практическая архитектура набора квантовых команд.[3] Многие квантовые алгоритмы (в том числе квантовая телепортация, квантовая коррекция ошибок, моделирование,[4][5] и алгоритмы оптимизации[6]) требуют архитектуры разделяемой памяти.

OpenQASM

Основная статья: OpenQASM

OpenQASM[7] это промежуточное представление, введенное IBM для использования с Qiskit и IBM Q Experience.

Blackbird

Blackbird[8][9] представляет собой набор квантовых команд и промежуточное представление, используемое Xanadu и Strawberry Fields. Он предназначен для представления непрерывная переменная квантовые программы, которые могут работать на фотонном квантовом оборудовании.

Комплекты для разработки квантового программного обеспечения

Квантовая комплекты для разработки программного обеспечения предоставить наборы инструментов для создания квантовых программ и управления ими.[10] Они также предоставляют средства для моделирования квантовых программ или подготовки их к запуску с использованием облачные квантовые устройства.

SDK с доступом к квантовым процессорам

Следующее комплекты для разработки программного обеспечения может использоваться для запуска квантовых схем на прототипах квантовых устройств, а также на симуляторах.

Океан

Набор инструментов с открытым исходным кодом, разработанный D-Wave. Написанный в основном на языке программирования Python, он позволяет пользователям формулировать задачи в форматах модели Изинга и квадратичной неограниченной двоичной оптимизации (QUBO). Результаты могут быть получены путем отправки на квантовый компьютер онлайн в Leap, квантовую прикладную среду реального времени D-Wave, машины, принадлежащие клиентам, или классические сэмплеры.

Пример кода с использованием projectq с Python

ProjectQ

An Открытый исходный код проект разработан в Институте теоретической физики ETH, который использует Программирование на Python язык для создания квантовых схем и управления ими.[11] Результаты получаются либо с помощью симулятора, либо путем отправки заданий на квантовые устройства IBM.

Qiskit

Основная статья: Qiskit

An Открытый исходный код проект разработан IBM.[12] Квантовые схемы создаются и управляются с помощью Python, Быстрый или же Ява. Результаты получены либо с использованием симуляторов, которые работают на собственном устройстве пользователя, симуляторов, предоставленных IBM, либо прототипов квантовых устройств, предоставленных IBM. Помимо возможности создавать программы с использованием базовых квантовых операций, в пакете Qiskit Aqua доступны алгоритмы более высокого уровня.[13] Qiskit основан на OpenQASM стандарт для представления квантовых схем и будет поддерживать управление уровнем импульсов квантовых систем, как указано в стандарте OpenPulse.[14]

лес

An Открытый исходный код проект разработан Ригетти, который использует Программирование на Python язык для создания квантовых схем и управления ими. Результаты получены либо с использованием симуляторов, либо прототипов квантовых устройств, предоставленных Ригетти. Помимо возможности создавать программы с использованием базовых квантовых операций, в пакете Grove доступны алгоритмы более высокого уровня.[15] Лес основан на Quil Набор инструкций.

t | ket>

Среда квантового программирования и оптимизирующий компилятор, разработанные Кембриджские квантовые вычисления который нацелен на симуляторы и несколько серверных частей квантового оборудования, выпущенный в декабре 2018 года.[16]

SDK на основе симуляторов

Открытый доступ к квантовым устройствам в настоящее время планируется для следующих SDK, но еще не реализован.

Quantum Development Kit

Проект разработан Microsoft[17] как часть .NET Framework. Квантовые программы можно писать и запускать в Visual Studio и VSCode.

Cirq

Основная статья: Cirq

An Открытый исходный код проект разработан Google, который использует Программирование на Python язык для создания квантовых схем и управления ими. Результаты получены с использованием симуляторов, работающих на собственном устройстве пользователя.

клубничные поля

An Открытый исходный код Python библиотека, разработанная Xanadu для проектирования, моделирования и оптимизации непрерывная переменная (РЕЗЮМЕ) квантово-оптический схемы.[18][19] Предусмотрено три тренажера - один в Основа Фока, использующий гауссову формулировку квантовой оптики,[20] и один, использующий TensorFlow библиотека машинного обучения.

Квантовые языки программирования

Существует две основные группы языков квантового программирования: императивные языки квантового программирования и функциональные языки квантового программирования.

Императивные языки

Наиболее яркими представителями императивных языков являются QCL,[21] LanQ[22] и Q | SI>.[23]

QCL

Основная статья: Язык квантовых вычислений

Язык квантовых вычислений (QCL) - один из первых реализованных квантовых языки программирования.[24] Наиболее важной особенностью QCL является поддержка определяемых пользователем операторов и функций. Его синтаксис напоминает синтаксис Язык программирования C и его классический типы данных похожи на примитивные типы данных в C. В одной программе можно комбинировать классический код и квантовый код.

Квантовый псевдокод

Квантовый псевдокод, предложенный Э. Книллом, является первым формализованным языком для описания квантовые алгоритмы. Он был введен и, более того, был тесно связан с моделью квантовой машины под названием Квантовая машина произвольного доступа (QRAM).

Q #

Основная статья: Q Sharp

Язык, разработанный Microsoft для использования с Quantum Development Kit.[25]

Q | SI>

Q | SI> - это платформа, встроенная в .Сеть язык, поддерживающий квантовое программирование в квантовом расширении языка while.[23][26] Эта платформа включает в себя компилятор квантового языка while.[27] и цепочка инструментов для моделирования квантовых вычислений, оптимизации квантовых схем, анализа завершения квантовых программ,[28] и проверка квантовых программ.[29][30]

Q язык

Q Language - второй реализованный императивный квантовый язык программирования.[31] Q Language был реализован как расширение языка программирования C ++. Он предоставляет классы для основных квантовых операций, таких как QHadamard, QFourier, QNot и QSwap, которые являются производными от базового класса Qop. Новые операторы могут быть определены с использованием механизма классов C ++.

Квантовая память представлена ​​классом Qreg.

Qreg x1; // 1-кубитный квантовый регистр с начальным значением 0Qreg x2(2,0); // 2-кубитный квантовый регистр с начальным значением 0

Процесс вычислений выполняется с использованием предоставленного имитатора. Шумную среду можно смоделировать с помощью параметров симулятора.

qGCL

Квантовый защищенный командный язык (qGCL) был определен П. Зулиани в его докторской диссертации. Он основан на Защищенный командный язык сделано Эдсгер Дейкстра.

Его можно охарактеризовать как язык спецификации квантовых программ.

QMASM

Quantum Macro Assembler (QMASM) - это язык низкого уровня, специфичный для квантовых отжигателей, таких как D-Wave.[32]

Строительные леса

Scaffold - это C-подобный язык, который компилируется в QASM и OpenQASM. Он построен на вершине LLVM Инфраструктура компилятора для оптимизации кода Scaffold перед созданием указанного набора инструкций.[33][34]

Silq

Silq - это язык программирования высокого уровня для квантовых вычислений с сильной системой статических типов, разработанный в ETH Zürich.[35][36]

Функциональные языки

Усилия по развитию функциональные языки программирования за квантовые вычисления. Функциональные языки программирования хорошо подходят для рассуждений о программах. Примеры включают QPL Селинджера,[37] и Подобный Haskell язык QML от Altenkirch и Grattage.[38][39] Языки квантового программирования высшего порядка, основанные на лямбда-исчисление, были предложены ван Тондером,[40] Селинджер и Валирон[41] и Арриги и Дауэком.[42]

QFC и QPL

QFC и QPL - два тесно связанных языка квантового программирования, определенные Питером Селинджером. Они различаются только своим синтаксисом: QFC использует синтаксис блок-схемы, тогда как QPL использует текстовый синтаксис. Эти языки имеют классический поток управления, но могут работать с квантовыми или классическими данными. Селинджер дает денотационную семантику для этих языков в категории супероператоры.

QML

QML - это Haskell -подобный квантовый язык программирования Альтенкирха и Граттаж.[43][38] В отличие от QPL Селинджера, этот язык воспринимает дублирование, а не отбрасывание квантовой информации как примитивную операцию. Под дублированием в данном контексте понимается операция, отображающая к , и не следует путать с невозможной работой клонирование; Авторы утверждают, что это похоже на моделирование обмена в классических языках. QML также вводит как классические, так и квантовые операторы управления, тогда как большинство других языков полагаются на классическое управление.

An операционная семантика для QML дается в терминах квантовые схемы, а денотационная семантика представлен в виде супероператоры, и они согласны. И операционная, и денотационная семантика реализованы (классически) в Haskell.[44]

LIQUi |>

LIQUi |> (произносится жидкость) является расширением квантового моделирования на F # язык программирования.[45] В настоящее время он разрабатывается Группой квантовых архитектур и вычислений (QuArC).[46] часть усилий StationQ в Microsoft Research. LIQUi |> стремится позволить теоретикам экспериментировать с разработкой квантовых алгоритмов до того, как физические квантовые компьютеры станут доступны для использования.[47]

Он включает в себя язык программирования, алгоритмы оптимизации и планирования, а также квантовые симуляторы. LIQUi |> может использоваться для перевода квантового алгоритма, написанного в форме высокоуровневой программы, в низкоуровневые машинные инструкции для квантового устройства.[48]

Квантовые лямбда-исчисления

Квантовые лямбда-исчисления являются расширением классического лямбда-исчисление представлен Церковь Алонсо и Стивен Коул Клини в 1930-е гг. Цель квантовых лямбда-исчислений - расширить квантовые языки программирования теорией функции высшего порядка.

Первая попытка определить квантовое лямбда-исчисление была сделана Филипом Мэймином в 1996 году.[49]Его лямбда-q-исчисление достаточно мощно, чтобы выразить любые квантовые вычисления. Однако этот язык может эффективно решать НП-полный проблем, и поэтому кажется более сильным, чем стандартные квантовые вычислительные модели (такие как квантовая машина Тьюринга или квантовая схема модель). Следовательно, исчисление лямбда-q Маймина, вероятно, невозможно реализовать на физическом устройстве.[нужна цитата ].

В 2003 году Андре ван Тондер определил расширение лямбда-исчисление подходит для доказательства правильности квантовых программ. Он также представил реализацию в Схема язык программирования.[50]

В 2004 году Селинджер и Валирон определили строго типизированный лямбда-исчисление для квантовых вычислений с системой типов на основе линейная логика.[51]

Quipper

Для компании, занимающейся образовательными технологиями, см. Quipper (компания).

Quipper был опубликован в 2013 году.[52][53] Он реализован как встроенный язык с использованием Haskell в качестве основного языка.[54] По этой причине квантовые программы, написанные на Quipper, написаны на Haskell используя предоставленные библиотеки. Например, следующий код реализует подготовку суперпозиции

импорт Quipperspos :: Bool -> Circ Кубитspos б = делать q <- qinit б            р <- Хадамар q            возвращаться р

Рекомендации

  1. ^ Ярослав Адам Мищак (2012). Структуры высокого уровня в квантовых вычислениях. ISBN  9781608458516.
  2. ^ Бертельс, К .; Almudever, C.G .; Hogaboam, J. W .; Ashraf, I .; Guerreschi, G.G .; Хаммасси, Н. (24 мая 2018 г.). «cQASM v1.0: на пути к общему квантовому языку ассемблера». arXiv:1805.09607v1 [Quant-ph ].
  3. ^ Смит, Роберт С .; Кертис, Майкл Дж .; Цзэн, Уильям Дж. (2016). «Практическая архитектура набора квантовых команд». arXiv:1608.03355 [Quant-ph ].
  4. ^ McClean, Jarrod R .; Ромеро, Джонатан; Баббуш, Райан; Аспуру-Гузик, Алан (04.02.2016). «Теория вариационных гибридных квантово-классических алгоритмов». Новый журнал физики. 18 (2): 023023. arXiv:1509.04279. Bibcode:2016NJPh ... 18b3023M. Дои:10.1088/1367-2630/18/2/023023. ISSN  1367-2630. S2CID  92988541.
  5. ^ Рубин, Николай С .; Кертис, Майкл Дж .; Цзэн, Уильям Дж. (2016). «Гибридный классический / квантовый подход для крупномасштабных исследований квантовых систем с теорией вложения матрицы плотности». arXiv:1610.06910 [Quant-ph ].
  6. ^ Фархи, Эдвард; Голдстоун, Джеффри; Гутманн, Сэм (2014). «Квантовый приближенный алгоритм оптимизации». arXiv:1411.4028 [Quant-ph ].
  7. ^ qiskit-openqasm: спецификация OpenQASM, International Business Machines, 2017-07-04, получено 2017-07-06
  8. ^ «Квантовый язык ассемблера Blackbird - документация Blackbird 0.2.0». Quantum-blackbird.readthedocs.io. Получено 2019-06-24.
  9. ^ Видбрук, Кристиан; Эми, Мэтью; Бергхольм, Вилле; Кесада, Николас; Изаак, Джош; Киллоран, Натан (11.03.2019). "Strawberry Fields: программная платформа для фотонных квантовых вычислений". Квантовая. 3: 129. arXiv:1804.03159. Дои:10.22331 / q-2019-03-11-129. S2CID  54763305.
  10. ^ Хенер, Томас; Steiger, Damian S .; Своре, Криста; Тройер, Матиас (2018). «Программная методология для компиляции квантовых программ». Квантовая наука и технологии. 3 (2): 020501. arXiv:1604.01401. Bibcode:Вопросы и ответы на 2018 год .... 3b0501H. Дои:10.1088 / 2058-9565 / aaa5cc. ISSN  2058-9565. S2CID  1922315.
  11. ^ "Домашняя страница ProjectQ".
  12. ^ "Домашняя страница Qiskit".
  13. ^ "Домашняя страница Qiskit Aqua". Архивировано из оригинал на 2019-10-10. Получено 2018-09-18.
  14. ^ Маккей, Дэвид С .; Александр, Томас; Белло, Лучано; Biercuk, Michael J .; Епископ Лев; Чен, Цзяин; Чоу, Джерри М .; Córcoles, Antonio D .; Эггер, Даниэль; Филипп, Стефан; Гомес, Хуан; Тише, Майкл; Джавади-Абхари, Али; Мореда, Диего; Нация, Пол; Paulovicks, Brent; Уинстон, Эрик; Вуд, Кристофер Дж .; Вуттон, Джеймс; Гамбетта, Джей М. (2018). «Технические характеристики Qiskit Backend для экспериментов OpenQASM и OpenPulse». arXiv:1809.03452 [Quant-ph ].
  15. ^ "Документация рощи".
  16. ^ «пыткет».
  17. ^ "Документация QDK".
  18. ^ "Strawberry Fields - документация Strawberry Fields 0.8.0". клубникаfields.readthedocs.io. Получено 2018-09-25.
  19. ^ Киллоран, Натан; Изаак, Джош; Кесада, Николас; Бергхольм, Вилле; Эми, Мэтью; Видбрук, Кристиан (2019). "Strawberry Fields: программная платформа для фотонных квантовых вычислений". Квантовая. 3: 129. arXiv:1804.03159. Дои:10.22331 / q-2019-03-11-129. S2CID  54763305.
  20. ^ Видбрук, Кристиан; Пирандола, Стефано; Гарсия-Патрон, Рауль; Серф, Николас Дж .; Ральф, Тимоти С .; Шапиро, Джеффри Х .; Ллойд, Сет (2012-05-01). «Гауссова квантовая информация». Обзоры современной физики. 84 (2): 621–669. arXiv:1110.3234. Bibcode:2012RvMP ... 84..621Вт. Дои:10.1103 / RevModPhys.84.621. S2CID  119250535.
  21. ^ Бернхард Омер. "Язык программирования QCL".
  22. ^ Hynek Mlnařík. «LanQ - квантовый императивный язык программирования».
  23. ^ а б Лю, Шусен; Чжоу, ли; Гуань, Цзи; Он, Ян; Дуань, Руньяо; Инь Миншэн (2017-05-09). "Q | SI>: квантовый язык программирования". Информация о Scientia Sinica. 47 (10): 1300. arXiv:1710.09500. Дои:10.1360 / N112017-00095. S2CID  9163705.
  24. ^ «QCL - язык программирования для квантовых компьютеров». tuwien.ac.at. Получено 2017-07-20.
  25. ^ "Документация Q #".
  26. ^ Инь Миншэн (январь 2012 г.). "Логика Флойда – Хора для квантовых программ". ACM Trans. Программа. Lang. Syst. 33 (6): 19:1–19:49. Дои:10.1145/2049706.2049708. ISSN  0164-0925. S2CID  416960.
  27. ^ Инь, Миншэн; Фэн, Юань (2010). «Язык блок-схем для квантового программирования». IEEE Transactions по разработке программного обеспечения. 37 (4): 466–485. Дои:10.1109 / TSE.2010.94. ISSN  0098-5589. S2CID  5879273.
  28. ^ Инь, Миншэн; Ю, Нэнкун; Фэн, Юань; Дуань, Runyao (2013). «Верификация квантовых программ». Наука компьютерного программирования. 78 (9): 1679–1700. arXiv:1106.4063. Дои:10.1016 / j.scico.2013.03.016. S2CID  18913620.
  29. ^ Инь, Миншэн; Инь, Шенган; У, Сяоди (2017). Инварианты квантовых программ: характеризация и генерация. Материалы 44-го симпозиума ACM SIGPLAN по принципам языков программирования. POPL 2017. 52. Нью-Йорк, Нью-Йорк, США: ACM. С. 818–832. Дои:10.1145/3093333.3009840. HDL:10453/127333. ISBN  9781450346603.
  30. ^ Лю, Тао; Ли, Янцзя; Ван, Шулинг; Инь, Миншэн; Чжан, Найджун (2016). "Доказательство теорем для квантовой логики Хоара и ее приложений". arXiv:1601.03835 [cs.LO ].
  31. ^ «Программное обеспечение для языка Q». 2001-11-23. Архивировано из оригинал на 2009-06-20. Получено 2017-07-20.
  32. ^ Скотт Пакин, «Квантовый макроассемблер», Материалы 20-й ежегодной конференции IEEE High Performance Extreme Computing, 2016 г.
  33. ^ Джавади-Абхари, Али. "Эшафот: квантовый язык программирования". Принстонский университет, факультет компьютерных наук. Университет Принстона. Получено 22 сентября 2020.
  34. ^ Литтекен, Эндрю (28 мая 2020 г.). «Обновленный компилятор квантовых исследований на основе LLVM с дальнейшей поддержкой OpenQASM». IOPScience: квантовая наука и технологии. 5 (3). Дои:10.1088 / 2058-9565 / ab8c2c. Получено 22 сентября 2020.
  35. ^ "Что такое Silq?". silq.ethz.ch. Получено 2020-06-21.
  36. ^ Биксель, Бенджамин; Баадер, Максимилиан; Гер, Тимон; Вечев, Мартин (11.06.2020). «Silq: квантовый язык высокого уровня с безопасной невычислительной и интуитивно понятной семантикой». Материалы 41-й конференции ACM SIGPLAN по проектированию и реализации языков программирования. Лондон Великобритания: ACM: 286–300. Дои:10.1145/3385412.3386007. ISBN  978-1-4503-7613-6. S2CID  219397029.
  37. ^ Питер Селинджер, «К квантовому языку программирования», Математические структуры в информатике 14 (4): 527-586, 2004.
  38. ^ а б Джонатан Граттаж: QML Research (интернет сайт)
  39. ^ Т. Альтенкирх, В. Белавкин, Дж. Граттаж, А. Грин, А. Сабри, Дж. К. Виззотто, QML: функциональный язык квантового программирования В архиве 2006-07-10 на Wayback Machine (интернет сайт)
  40. ^ Андре ван Тондер, «Лямбда-исчисление для квантовых вычислений», SIAM J. Comput., 33 (5), 1109–1135. (27 страниц), 2004 г. Также можно получить по адресу arXiv: Quant-ph / 0307150
  41. ^ Питер Селинджер и Бенуа Валирон, «Лямбда-исчисление для квантовых вычислений с классическим управлением», Математические структуры в информатике 16 (3): 527-552, 2006.
  42. ^ Пабло Арриги, Жиль Довек, «Линейно-алгебраическое лямбда-исчисление: высшие порядки, кодировки и слияние», 2006
  43. ^ «QML: функциональный язык квантового программирования». 2007-09-26. Архивировано из оригинал на 2007-09-26.
  44. ^ Джонатан Граттаж, QML: функциональный квантовый язык программирования (компилятор) В архиве 2016-03-05 в Wayback Machine, 2005–2008
  45. ^ "Симулятор квантовых операций, интегрированный с языком". github.io. Получено 2017-07-20.
  46. ^ Группа квантовых архитектур и вычислений (QuArC), https://www.microsoft.com/en-us/research/group/quantum-architectures-and-computation-group-quarc/, 2011
  47. ^ "StationQ". microsoft.com. Получено 2017-07-20.
  48. ^ "Интегрированные в язык квантовые операции: LIQUi |>". 2016.
  49. ^ Филип Мэймин, «Расширение лямбда-исчисления для выражения рандомизированных и квантовых алгоритмов», 1996
  50. ^ Андре ван Тондер. «Лямбда-исчисление для квантовых вычислений (веб-сайт)».
  51. ^ Питер Селинджер, Бенот Валирон, «Квантовое лямбда-исчисление»
  52. ^ "Язык Куиппера".
  53. ^ Александр С. Грин; Питер ЛеФану Ламсдайн; Нил Дж. Росс; Питер Селинджер; Бенуа Валирон. "Язык Quipper (веб-сайт)".
  54. ^ Александр С. Грин; Питер ЛеФану Ламсдайн; Нил Дж. Росс; Питер Селинджер; Бенуа Валирон (2013). Введение в квантовое программирование в Quipper. Конспект лекций по информатике. 7948. С. 110–124. arXiv:1304.5485. Дои:10.1007/978-3-642-38986-3_10. ISBN  978-3-642-38985-6. S2CID  9135905.

дальнейшее чтение

  • Миншэн, Ин (2016-03-28). Основы квантового программирования. Кембридж, Массачусетс. ISBN  9780128025468. OCLC  945735387.

внешняя ссылка