Квантовое программирование в 2022 году: языки, SDK и алгоритмы

Ожидается, что квантовые компьютеры снизят энергопотребление от 100 до 1000 раз , поскольку они работают при очень низкой температуре, при которой процессор будет работать как сверхпроводник (то есть он может проводить электричество практически без сопротивления). С другой стороны, квантовые компьютеры могут ускорить процессы машинного обучения, сократив тысячи лет обучения до считанных секунд. Квантовые компьютеры основаны на квантовых битах (кубитах), которые имеют два возможных значения 0 или 1. Они не подчиняются законам Ньютона, но квантовые законы позволяют им иметь вероятность быть равными 0 и 1 одновременно. Еще не запутались? Тогда перейдите к нашей статье , в которой объясняется, что такое квантовые вычисления и как они работают.

Из-за потенциала квантовых компьютеров (КК) технологические гиганты, такие как Google и IBM, предоставляют пользователям, не имеющим КК, возможность научиться программировать квантовые схемы и манипулировать ими с помощью различных квантовых языков программирования:

Квантовые языки программирования
Языки квантового программирования — это основа для интерпретации идей в инструкции, которые должны выполняться квантовым компьютером. Согласно Nature Reviews , квантовые языки программирования используются для:

управлять существующими физическими устройствами
прогнозировать стоимость выполнения квантовых алгоритмов на возможных устройствах
изучить концепции квантовых вычислений (кубиты, суперпозиция, запутанность)
тестировать и проверять квантовые алгоритмы и их реализации
Современные языки квантового программирования и компиляторы в основном ориентированы на оптимизацию низкоуровневых схем, состоящих из квантовых вентилей . Квантовые вентили являются строительными блоками квантовых схем. Они похожи на обратимые логические вентили, такие как вентиль Фредкина, вентиль Тоффоли, вентиль взаимодействия и вентиль переключения. Однако наименьший классический обратимый вентиль должен использовать три бита, тогда как наименьший квантовый вентиль должен использовать только два бита.
Императивные квантовые языки программирования
Императивные языки программирования состоят из пошаговых инструкций, которые необходимо выполнить для достижения желаемого результата. В классических компьютерах императивные языки включают C, JavaScript, Pascal, Python и т. д. Наиболее популярными квантовыми императивными языками являются:

QCL : язык квантовых вычислений, один из первых реализованных языков квантового программирования. Он напоминает язык C в отношении синтаксиса и типов данных.
QMASM : Quantum Macro Assembler, опубликованный в 2016 году. Это язык низкого уровня, специфичный для квантового отжига . Значение QMASM заключается в том, что он избавляет программиста от необходимости знать детали аппаратного обеспечения, специфичные для системы, и в то же время позволяет выражать программы на низком уровне абстракции.
Первоначально Silq был опубликован в 2020 году. Silq — это язык программирования высокого уровня, написанный на языке D, который имеет 482 звезды и 10 участников на github и регулярно обновляется с 2021 года.
Другие императивные языки Q включают псевдокод Quantum, Q|SI>, язык Q, qGCL и Scaffold.

Функциональные языки квантового программирования
Функциональные языки не полагаются на пошаговые инструкции, вместо этого они зависят от математических функций, что означает, что входные данные преобразуются в выходные с помощью математических преобразований. Функциональные языки менее популярны, чем императивные, потому что они не поддерживают управление потоком (например, операторы цикла) или условные операторы (например, операторы if/else). Однако благодаря этим особенностям они выигрывают от:

Меньше ошибок
Программисты, пишущие и проверяющие функциональный код, заявляют, что обнаруживают ошибки легче, потому что меньше мест, где можно скрыть неожиданное поведение.
Сообщается, что функциональные ошибки легче исправить
Вложенные функции
Ленивая оценка:
задерживает вычисление выражения до тех пор, пока не понадобится его значение
избегает повторных оценок
Лучшие функциональные языки для квантовых компьютеров:

QML: опубликованный в 2007 году квантовый язык программирования, подобный Haskell, основанный на строгой линейной логике. Он может интегрировать обратимые и необратимые квантовые вычисления.
Квантовое лямбда-исчисление: оно основано на классическом лямбда-исчислении, представленном в 1930 году, и впервые было определено для квантовых вычислений в 1996 году. Оно использует функции высокого порядка (λx.x^3). Поэтому оно сильнее стандартных квантовых вычислительных моделей, таких как как квантовая машина Тьюринга или модель квантовой цепи.
QFC и QPL: семантически QFC и QPL эквивалентны. Однако в QFC квантовые программы представлены с использованием синтаксиса блок-схем, а в QPL синтаксическая структура квантовых программ представлена ​​с использованием текстовых представлений.
Другие функциональные языки включают LIQUi|> и Quipper.

Мультипарадигмальные языки
Существуют также мультипарадигмальные языки, зависящие от предметной области, такие как Q# для Microsoft и Strawberry Fields для XanduAI.

Комплекты для разработки квантового программного обеспечения
Независимо от того, использует ли разработчик императивные, функциональные или мультипарадигмальные языки для написания квантового алгоритма, квантовое программное обеспечение требуется для создания квантовой программы и управления ею, а SDK необходимы для запуска квантовых схем на прототипах квантовых устройств, а также на симуляторах. . Эти программные среды для квантовых программ обычно имеют открытый исходный код и используют язык python.

Для получения более подробной информации о квантовых SDK, не стесняйтесь читать нашу статью Quantum Software Development Kits

Алгоритмы квантового программирования
Цель программирования квантовых компьютеров — решать проблемы квантовой физики. Квантовые алгоритмы, которые можно запрограммировать, включают:

Алгоритмы алгебры и теории чисел, такие как факторизация и суммы Гаусса
Приближения и моделирование, такие как квантовое моделирование, дзета-функции и инварианты узлов.
Алгоритмы машинного обучения, такие как кластеризация, бинарная классификация и обучение нейронных сетей
Другие квантовые алгоритмы, которые можно запрограммировать, упоминаются в « Зоопарке квантовых алгоритмов » Стивена Джордана из Национального института стандартов и технологий.

Проблемы квантового программирования
Трудности в квантовом компьютерном программировании возникают из-за:

Сложности формулирования универсальных языков контроля качества
Неполнота и скрытые переменные в квантовой механике
Квантовые компьютеры все еще находятся в зачаточном состоянии, работая на <100 кубитах, поэтому они недостаточно сильны, чтобы запускать сложные квантовые алгоритмы.
Однако доступность SDK с открытым исходным кодом позволяет сообществам находить решения проблем программирования и находить более практические применения для квантовых вычислений.