量子計(jì)算機(jī)編程總結(jié)

1、量子計(jì)算機(jī)編程什么是量子計(jì)算機(jī)？ 要了解量子計(jì)算機(jī)編程，首先要了解量子計(jì)算機(jī)的工作原理傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)基于CPU芯片的二進(jìn)制流處理模式傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為多個(gè)位上的和，量子計(jì)算機(jī)改變了這一切。用來(lái)理解數(shù)據(jù)位內(nèi)容的物理原理是完全不同的，為了制造這樣的計(jì)算系統(tǒng)，我們需要不同的處理器設(shè)計(jì)方式、架構(gòu)。最終在這種系統(tǒng)上的變成方法也是不同的。我們首先會(huì)講解“量子量子位位”qubit是如何取代傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的“數(shù)據(jù)位”bits的。電燈開關(guān)游戲一個(gè)簡(jiǎn)單的場(chǎng)景游戲 從應(yīng)用場(chǎng)景出發(fā)，才能更好地解釋量子計(jì)算機(jī)編程簡(jiǎn)單問(wèn)題的簡(jiǎn)單解根據(jù)我們?yōu)槊總€(gè)開關(guān)選的狀態(tài)，我們會(huì)得到不同的得分。很容易就會(huì)發(fā)現(xiàn)其中的規(guī)律，并找到答案如下所示：

2、我們發(fā)現(xiàn)把有正偏差值的燈關(guān)上，把負(fù)偏差值的燈關(guān)上就會(huì)得到最小的得分。這是個(gè)很簡(jiǎn)單的規(guī)則，你可以將之應(yīng)用到更多開關(guān)的題目上上以得到最小的得分。復(fù)雜的電燈開關(guān)問(wèn)題復(fù)雜問(wèn)題的求解？求解這樣的一個(gè)電燈開關(guān)問(wèn)題，將會(huì)變得十分復(fù)雜，電燈的狀態(tài)值很難確定，因?yàn)樽罱K的得分不只和自身的偏差值相關(guān)，同時(shí)還與相鄰的狀態(tài)偏差值相關(guān)。當(dāng)開關(guān)數(shù)量進(jìn)一步增加的時(shí)候，要得到最終的得分將會(huì)變得更加困難。 電燈開關(guān)游戲的計(jì)算量只取出其中一組連接的開關(guān)，你可以嘗試各種開關(guān)組合，只有四種可能: ON ON, ON OFF, OFF ON 或 OFF OFF。但是當(dāng)你加入更多的開關(guān)時(shí)，可能的組合數(shù)會(huì)成指數(shù)的增長(zhǎng)：（switches開關(guān)

3、數(shù)possible answers可能的組合數(shù)）量子位qubit的出現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)是使用量子的疊加狀態(tài)存儲(chǔ)相當(dāng)于若干傳統(tǒng)數(shù)據(jù)位bits的信息。你可以把這個(gè)想象成量子位qubit沒(méi)有確定的開關(guān)狀態(tài)，一些人將之稱為同時(shí)處于開關(guān)狀態(tài)。你可以將這個(gè)比喻應(yīng)用到電燈開關(guān)游戲上，就是量子位對(duì)應(yīng)的開關(guān)可以同時(shí)處在開關(guān)的兩個(gè)狀態(tài)上：量子計(jì)算機(jī)解決電燈開關(guān)問(wèn)題由于每個(gè)開關(guān)都包含兩種狀態(tài)，因此這樣的存儲(chǔ)狀態(tài)已經(jīng)包含了所有的可能，那么得分最低的那個(gè)狀態(tài)組合自然也包含其中，只是我們不知道罷了，使用量子編程量子編程可以提取得分最低的這組狀態(tài)。什么是量子編程？ 先將系統(tǒng)置為從之前描述的量子疊加態(tài)，然后慢慢地讓量子計(jì)算機(jī)

4、關(guān)閉量子的疊加態(tài)效應(yīng)，同時(shí)將條件中的偏差值賦給相應(yīng)的開關(guān)和開關(guān)之間的連接（之前的H，J值）。當(dāng)你進(jìn)行這個(gè)操作時(shí)，量子開關(guān)脫離量子的疊加態(tài)并進(jìn)入傳統(tǒng)的開關(guān)狀態(tài)，不是開就是關(guān)。最終量子計(jì)算機(jī)中的量子機(jī)制幫助這些電燈開關(guān)最后找出得分最低的組合。即便有N個(gè)開關(guān)和對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的2的N次方個(gè)開關(guān)組合，量子計(jì)算機(jī)也可以一步找到所有組合的游戲積分表達(dá)式中最低的那個(gè)組合。量子計(jì)算機(jī)和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)編程的區(qū)別l在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中，我們使用一個(gè)確定的數(shù)據(jù)位bits組合和另一個(gè)數(shù)據(jù)位bits組合在運(yùn)算處理其中進(jìn)行運(yùn)算。而在量子計(jì)算機(jī)中，我們用一個(gè)狀態(tài)不確定的量子位組合作為輸入，所以處理器中的運(yùn)算方法也是截然不同的。l一組狀態(tài)不確

5、定的量子位qubit被初始化成不確定的量子疊加態(tài)，而這次使用一個(gè)能量程序能量程序而不是傳統(tǒng)的邏輯程序來(lái)對(duì)它們進(jìn)行計(jì)算，量子位qubit在運(yùn)算的開始是不確定的，而在運(yùn)算結(jié)束的時(shí)候它們都會(huì)停在-1或+1的狀態(tài)。什么是能量程序？ 能量程序?qū)?yīng)的就是電燈游戲里的偏差值也就是之前公式中的H和J。 在開關(guān)游戲中，我們說(shuō)H和J是提供給你的條件。而現(xiàn)在我們了解到H和J實(shí)際上就是量子計(jì)算實(shí)際要解決的問(wèn)題的條件。編制包含一系列H和J值的能量程序也就是將你關(guān)心的實(shí)際問(wèn)題轉(zhuǎn)換成量子計(jì)算機(jī)能解決的問(wèn)題是非常困難和消耗時(shí)間的。這個(gè)過(guò)程類似于使用機(jī)器碼來(lái)給你的電腦編程！幸運(yùn)的是，有一些更好的使用量子編譯器量子編譯器的開發(fā)方

6、法。常見的量子編程軟件及工具 高級(jí)的綜合編譯工具高級(jí)的綜合編譯工具 目前有以D-Wave的Qbsolv為代表的圖像化的操作界面 功能強(qiáng)大 IBM的QISKit開發(fā)套件 功能強(qiáng)大 微軟的LIQUi| 開發(fā)套件 日本理化研究所RIKEN推出的QuTiP- Quantum Toolbox in Python.類似匯編語(yǔ)言的量子編程語(yǔ)言類似匯編語(yǔ)言的量子編程語(yǔ)言命令式編程的QCL QCL的語(yǔ)法和C相似，讓傳統(tǒng)程序員可以用一種熟悉的形式來(lái)給量子計(jì)算機(jī)編程。最基本數(shù)據(jù)類型是qureg，類似于隊(duì)列。QCL支持用戶自定義操作符和函數(shù)。由于QCL編譯器用的是qlib仿真庫(kù)，所以程序在運(yùn)行中的qubit量子態(tài)可以

7、被看到，但這在真正的量子計(jì)算機(jī)上是不可能的，只能在模擬器上可以實(shí)現(xiàn)。函數(shù)式編程的Quipper Quipper在函數(shù)式編程語(yǔ)言里算是最新成員，是一種嵌入式語(yǔ)言，宿主語(yǔ)言為Haskell。D-Wave公司的2000Q系統(tǒng)軟件架構(gòu) 提供了一個(gè)基于RESTful服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)API，以及可用于C/C+/Python/Matlab編程的客戶端庫(kù)。 這個(gè)接口允許用戶訪問(wèn)系統(tǒng)，要么作為云資源通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)，要么集成到他們的高性能計(jì)算環(huán)境和數(shù)據(jù)中心。 使用D-Wave公司的開發(fā)工具和客戶端庫(kù)，開發(fā)人員可以在現(xiàn)有的環(huán)境中使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)工具來(lái)創(chuàng)建算法和應(yīng)用程序注意：Qbsolv寫的程序目前只能在D-Wave的機(jī)器

8、上跑D-Wave公司的軟件工具支持 使用一個(gè)程序的C、c+、Python或MATLAB QMIs創(chuàng)建和執(zhí)行 使用遞工具如: QSage, 專為優(yōu)化問(wèn)題設(shè)計(jì)的翻譯器 ToQ，一種高級(jí)語(yǔ)言翻譯器，用于約束滿足問(wèn)題，旨在讓用戶用問(wèn)題領(lǐng)域的語(yǔ)言“說(shuō)話” qbsolv是一個(gè)開源的混合分區(qū)優(yōu)化求解器，用于解決大于QPU本身的問(wèn)題。 dw，它執(zhí)行通過(guò)文本編輯器創(chuàng)建的QMI量子編程的應(yīng)用 電燈開關(guān)游戲只是眾多的優(yōu)化問(wèn)題中的一種，很多科學(xué)問(wèn)題的關(guān)鍵就是這樣的優(yōu)化問(wèn)題。 優(yōu)化、機(jī)器學(xué)習(xí)、采樣/蒙特卡洛、模式識(shí)別和異常檢測(cè)、網(wǎng)絡(luò)安全、圖像分析、財(cái)務(wù)分析、軟件/硬件驗(yàn)證和確認(rèn)、生物信息學(xué)/癌癥研究等等D-Wave公司

9、提供很多應(yīng)用程序解決方案 國(guó)防國(guó)防應(yīng)用程序應(yīng)用程序 任務(wù)規(guī)劃和物流 系統(tǒng)確認(rèn)和驗(yàn)證 模式識(shí)別和異常檢測(cè) 網(wǎng)絡(luò)科學(xué)和圖論的應(yīng)用程序 網(wǎng)絡(luò)安全 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室國(guó)家實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用程序應(yīng)用程序 優(yōu)化問(wèn)題 圖論問(wèn)題 材料科學(xué) 電子結(jié)構(gòu)的問(wèn)題 理論和實(shí)驗(yàn)物理 機(jī)器學(xué)習(xí)D-Wave公司提供很多應(yīng)用程序解決方案 網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序應(yīng)用程序 圖像和模式識(shí)別 機(jī)器學(xué)習(xí) 溝通 高級(jí)搜索 網(wǎng)絡(luò)安全 大學(xué)大學(xué)應(yīng)用程序應(yīng)用程序 氣候模型 生物信息學(xué) 天氣預(yù)測(cè) 探索量子計(jì)算 金融金融應(yīng)用程序應(yīng)用程序 風(fēng)險(xiǎn)建模 交易策略 檢測(cè)市場(chǎng)不穩(wěn)定 制定交易策略 優(yōu)化交易軌跡 優(yōu)化資產(chǎn)定價(jià)和套期保值 優(yōu)化投資組合D-Wave公司提供很多應(yīng)用程序解

10、決方案 能源能源應(yīng)用程序應(yīng)用程序 能源勘探 地震勘探的優(yōu)化 儲(chǔ)備和現(xiàn)貨交易優(yōu)化 水庫(kù)優(yōu)化 醫(yī)療保健醫(yī)療保健應(yīng)用程序應(yīng)用程序 優(yōu)化放療治療 生成靶向抗癌藥物療法 創(chuàng)建蛋白質(zhì)模型IBM公司的IBM Q與量子信息軟件工具包(QISKit) IBM Q是業(yè)界第一個(gè)為商業(yè)和科學(xué)構(gòu)建商用通用量子計(jì)算系統(tǒng)的計(jì)劃。 量子信息軟件包（簡(jiǎn)稱QISKit）是一個(gè)與OpenQASM和IBM Q體驗(yàn)（QX）協(xié)同工作的軟件開發(fā)工具包（SDK）。 使用QISKit創(chuàng)建量子計(jì)算程序，編譯它們，并在幾個(gè)后端之一（在線實(shí)型量子處理器，在線模擬器和本地模擬器）上執(zhí)行它們。 對(duì)于在線后端，QISKit使用我們的python API客

11、戶端連接到IBM Q體驗(yàn)。注意：注意：IBMIBM的方案可以讓我們無(wú)需購(gòu)買量子計(jì)算機(jī)，直接利用他們的方案可以讓我們無(wú)需購(gòu)買量子計(jì)算機(jī)，直接利用他們提供的云服務(wù)進(jìn)行量子計(jì)算的學(xué)習(xí)和應(yīng)用提供的云服務(wù)進(jìn)行量子計(jì)算的學(xué)習(xí)和應(yīng)用微軟的LIQUi| 開發(fā)套件 LIQUi |是量子計(jì)算的軟件體系結(jié)構(gòu)和工具包。 它包括編程語(yǔ)言，優(yōu)化和調(diào)度算法，以及量子模擬器。 LIQUi |可用于將以高級(jí)程序形式寫入的量子算法轉(zhuǎn)換為量子器件的低級(jí)機(jī)器指令。 LIQUi |正在由微軟研究院的Quantum架構(gòu)與計(jì)算組（QuArC）開發(fā)。 開源代碼：http:/stationq.github.io/Liquid/ 日本理化研究所RIKEN的QuTip QuTip的原始框架用Python書寫， Python的簡(jiǎn)單語(yǔ)法允許建造、操作和使用QuTiP發(fā)展量子對(duì)象只需要幾行代碼。容易學(xué)習(xí),100%開源,QuTiP是理想的工具箱研究或教室。 基于Python開發(fā)，功能強(qiáng)大量子編程總結(jié) 量子計(jì)算機(jī)另一個(gè)顯著特點(diǎn)就是基于概率的輸出結(jié)果，計(jì)算機(jī)會(huì)輸出多個(gè)結(jié)果。一些是正確的，而另一些不是。這看起來(lái)并不是一件好事，一臺(tái)計(jì)算機(jī)在你求解時(shí)返回多個(gè)答案這看上去像是個(gè)Bug！但是在量子計(jì)算機(jī)中返回多個(gè)答案的同時(shí)，也給我們提供了關(guān)于答案可信度的重要信息。這種不確定性對(duì)于設(shè)計(jì)一個(gè)能夠識(shí)別復(fù)雜情況并