Квантовое программирование

Языки квантового программирования — языки программирования, позволяющие выражать квантовые алгоритмы с использованием высокоуровневых конструкций. Их цель не столько создание инструмента для программистов, сколько предоставление средств для исследователей для облегчения понимания работы квантовых вычислений.

Существующие языки квантового программирования: QPL, QCL, Haskell-подобный QML, Quipper, Q#, Q, qGCL, cQPL, OpenQASM.

Библиотеки симуляции квантовых компьютеров (квантовые виртуальные машины, Quantum virtual machine): libquantum, qlib.

Упрощение разработки ПО для квантовых вычислений

Корпорация IBM выпустила набор инструментов для разработчиков под названием Qiskit. И в следующем году IBM обещает предложить инструменты, которые упростят программистам создание программного обеспечения, включающего в себя как квантовые вычисления, так и традиционные вычислительные элементы в одной программе. Затем, начиная с 2023 года, IBM планирует предложить своим клиентам библиотеки предварительно созданных квантовых алгоритмов, которые программисты смогут использовать через простой облачный API-интерфейс. Это позволит разрабатывать программное обеспечение для квантового компьютера на языках программирования, которые уже известны разработчикам, без необходимости изучать новый язык. IBM заявила, что хочет, чтобы программисты, работающие в корпорациях, могли «самостоятельно исследовать модели квантовых вычислений, не задумываясь о квантовой физике». И к 2025 году, по словам IBM, она сможет предложить инструменты для квантовых вычислений, при использовании которых программистам больше не нужно будет думать о том, на каком именно квантовом компьютере (потому что одни используют сверхпроводники, другие — фотоны, а третьи построены на ловушках для ионов) будет работать код или даже какая часть программы будет выполняться на квантовой системе, а не на традиционном сервере.

Пример кода на QCL

QCL, Quantum computing language — одна из первых реализаций языка квантового программирования. Близок к языку Си и классическим типам данных. Позволяет смешивать классический и квантовый код в одном исходном файле.

Базовый квантовый тип данных qureg (квантовый регистр, quantum register). Его можно представить в виде массива кубитов (квантовых битов).

  qureg x1[2]; // двухкубитовый квантовый регистр x1
  qureg x2[2]; // двухкубитовый квантовый регистр x2
  H(x1); // Операция Адамара над x1
  H(x2[1]); // Операция Адамара над первым кубитом регистра x2

Поскольку интерпретатор qcl использует библиотеку симуляции qlib, возможно наблюдать внутреннее состояние квантового компьютера во время исполнения:

  qcl> dump
  : STATE: 4 / 32 qubits allocated, 28 / 32 qubits free
  0.35355 |0> + 0.35355 |1> + 0.35355 |2> + 0.35355 |3>
  + 0.35355 |8> + 0.35355 |9> + 0.35355 |10> + 0.35355 |11>

Ссылки

• Quantum programming language. Архивная копия от 22 июля 2018 на Wayback Machine
• Quantum Programming Languages. Survey and Bibliography Архивная копия от 27 января 2018 на Wayback Machine Journal Mathematical Structures in Computer Science. Volume 16 Issue 4, August 2006. Pages 581—600 doi:10.1017/S0960129506005378.
• Towards a Quantum Programming Language Архивная копия от 10 августа 2017 на Wayback Machine / Math. Struct. in Comp. Science 14(4):527-586, 2004.
• Dominique Unruh. Quantum Programming Languages Архивная копия от 12 августа 2017 на Wayback Machine / Informatik — Forschung und Entwicklung 21(1):55-63, Springer, 2006.
• https://medium.com/@decodoku/how-to-program-a-quantum-computer-982a9329ed02 Архивная копия от 6 января 2018 на Wayback Machine
• https://www.americanscientist.org/node/3466
• Programming languages and compiler design for realistic quantum hardware Архивная копия от 8 февраля 2021 на Wayback Machine / Nature 549, 180—187 (14 September 2017) doi:10.1038/nature23459  (платн.)