量子計算機編程總結(jié)

1、量子計算機編程什么是量子計算機？ 要了解量子計算機編程，首先要了解量子計算機的工作原理傳統(tǒng)計算機基于CPU芯片的二進制流處理模式傳統(tǒng)計算機將數(shù)據(jù)存儲為多個位上的和，量子計算機改變了這一切。用來理解數(shù)據(jù)位內(nèi)容的物理原理是完全不同的，為了制造這樣的計算系統(tǒng)，我們需要不同的處理器設計方式、架構(gòu)。最終在這種系統(tǒng)上的變成方法也是不同的。我們首先會講解“量子量子位位”qubit是如何取代傳統(tǒng)計算機的“數(shù)據(jù)位”bits的。電燈開關游戲一個簡單的場景游戲 從應用場景出發(fā)，才能更好地解釋量子計算機編程簡單問題的簡單解根據(jù)我們?yōu)槊總€開關選的狀態(tài)，我們會得到不同的得分。很容易就會發(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上，把負偏差值的燈關上就會得到最小的得分。這是個很簡單的規(guī)則，你可以將之應用到更多開關的題目上上以得到最小的得分。復雜的電燈開關問題復雜問題的求解？求解這樣的一個電燈開關問題，將會變得十分復雜，電燈的狀態(tài)值很難確定，因為最終的得分不只和自身的偏差值相關，同時還與相鄰的狀態(tài)偏差值相關。當開關數(shù)量進一步增加的時候，要得到最終的得分將會變得更加困難。 電燈開關游戲的計算量只取出其中一組連接的開關，你可以嘗試各種開關組合，只有四種可能: ON ON, ON OFF, OFF ON 或 OFF OFF。但是當你加入更多的開關時，可能的組合數(shù)會成指數(shù)的增長：（switches開關

3、數(shù)possible answers可能的組合數(shù)）量子位qubit的出現(xiàn)量子計算機的基礎是使用量子的疊加狀態(tài)存儲相當于若干傳統(tǒng)數(shù)據(jù)位bits的信息。你可以把這個想象成量子位qubit沒有確定的開關狀態(tài)，一些人將之稱為同時處于開關狀態(tài)。你可以將這個比喻應用到電燈開關游戲上，就是量子位對應的開關可以同時處在開關的兩個狀態(tài)上：量子計算機解決電燈開關問題由于每個開關都包含兩種狀態(tài)，因此這樣的存儲狀態(tài)已經(jīng)包含了所有的可能，那么得分最低的那個狀態(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算機

4、關閉量子的疊加態(tài)效應，同時將條件中的偏差值賦給相應的開關和開關之間的連接（之前的H，J值）。當你進行這個操作時，量子開關脫離量子的疊加態(tài)并進入傳統(tǒng)的開關狀態(tài)，不是開就是關。最終量子計算機中的量子機制幫助這些電燈開關最后找出得分最低的組合。即便有N個開關和對應產(chǎn)生的2的N次方個開關組合，量子計算機也可以一步找到所有組合的游戲積分表達式中最低的那個組合。量子計算機和傳統(tǒng)計算機編程的區(qū)別l在傳統(tǒng)計算機中，我們使用一個確定的數(shù)據(jù)位bits組合和另一個數(shù)據(jù)位bits組合在運算處理其中進行運算。而在量子計算機中，我們用一個狀態(tài)不確定的量子位組合作為輸入，所以處理器中的運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)，而這次使用一個能量程序能量程序而不是傳統(tǒng)的邏輯程序來對它們進行計算，量子位qubit在運算的開始是不確定的，而在運算結(jié)束的時候它們都會停在-1或+1的狀態(tài)。什么是能量程序？ 能量程序?qū)木褪请姛粲螒蚶锏钠钪狄簿褪侵肮街械腍和J。 在開關游戲中，我們說H和J是提供給你的條件。而現(xiàn)在我們了解到H和J實際上就是量子計算實際要解決的問題的條件。編制包含一系列H和J值的能量程序也就是將你關心的實際問題轉(zhuǎn)換成量子計算機能解決的問題是非常困難和消耗時間的。這個過程類似于使用機器碼來給你的電腦編程！幸運的是，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 高級的綜合編譯工具高級的綜合編譯工具 目前有以D-Wave的Qbsolv為代表的圖像化的操作界面 功能強大 IBM的QISKit開發(fā)套件 功能強大 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.類似匯編語言的量子編程語言類似匯編語言的量子編程語言命令式編程的QCL QCL的語法和C相似，讓傳統(tǒng)程序員可以用一種熟悉的形式來給量子計算機編程。最基本數(shù)據(jù)類型是qureg，類似于隊列。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，所以程序在運行中的qubit量子態(tài)可以

7、被看到，但這在真正的量子計算機上是不可能的，只能在模擬器上可以實現(xiàn)。函數(shù)式編程的Quipper Quipper在函數(shù)式編程語言里算是最新成員，是一種嵌入式語言，宿主語言為Haskell。D-Wave公司的2000Q系統(tǒng)軟件架構(gòu) 提供了一個基于RESTful服務的標準的網(wǎng)絡API，以及可用于C/C+/Python/Matlab編程的客戶端庫。 這個接口允許用戶訪問系統(tǒng)，要么作為云資源通過網(wǎng)絡訪問，要么集成到他們的高性能計算環(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，開發(fā)人員可以在現(xiàn)有的環(huán)境中使用行業(yè)標準工具來創(chuàng)建算法和應用程序注意：Qbsolv寫的程序目前只能在D-Wave的機器

8、上跑D-Wave公司的軟件工具支持 使用一個程序的C、c+、Python或MATLAB QMIs創(chuàng)建和執(zhí)行 使用遞工具如: QSage, 專為優(yōu)化問題設計的翻譯器 ToQ，一種高級語言翻譯器，用于約束滿足問題，旨在讓用戶用問題領域的語言“說話” qbsolv是一個開源的混合分區(qū)優(yōu)化求解器，用于解決大于QPU本身的問題。 dw，它執(zhí)行通過文本編輯器創(chuàng)建的QMI量子編程的應用 電燈開關游戲只是眾多的優(yōu)化問題中的一種，很多科學問題的關鍵就是這樣的優(yōu)化問題。 優(yōu)化、機器學習、采樣/蒙特卡洛、模式識別和異常檢測、網(wǎng)絡安全、圖像分析、財務分析、軟件/硬件驗證和確認、生物信息學/癌癥研究等等D-Wave公司

9、提供很多應用程序解決方案 國防國防應用程序應用程序 任務規(guī)劃和物流 系統(tǒng)確認和驗證 模式識別和異常檢測 網(wǎng)絡科學和圖論的應用程序 網(wǎng)絡安全 國家實驗室國家實驗室應用程序應用程序 優(yōu)化問題 圖論問題 材料科學 電子結(jié)構(gòu)的問題 理論和實驗物理 機器學習D-Wave公司提供很多應用程序解決方案 網(wǎng)絡網(wǎng)絡應用程序應用程序 圖像和模式識別 機器學習 溝通 高級搜索 網(wǎng)絡安全 大學大學應用程序應用程序 氣候模型 生物信息學 天氣預測 探索量子計算 金融金融應用程序應用程序 風險建模 交易策略 檢測市場不穩(wěn)定 制定交易策略 優(yōu)化交易軌跡 優(yōu)化資產(chǎn)定價和套期保值 優(yōu)化投資組合D-Wave公司提供很多應用程序解

10、決方案 能源能源應用程序應用程序 能源勘探 地震勘探的優(yōu)化 儲備和現(xiàn)貨交易優(yōu)化 水庫優(yōu)化 醫(yī)療保健醫(yī)療保健應用程序應用程序 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)界第一個為商業(yè)和科學構(gòu)建商用通用量子計算系統(tǒng)的計劃。 量子信息軟件包（簡稱QISKit）是一個與OpenQASM和IBM Q體驗（QX）協(xié)同工作的軟件開發(fā)工具包（SDK）。 使用QISKit創(chuàng)建量子計算程序，編譯它們，并在幾個后端之一（在線實型量子處理器，在線模擬器和本地模擬器）上執(zhí)行它們。 對于在線后端，QISKit使用我們的python API客

11、戶端連接到IBM Q體驗。注意：注意：IBMIBM的方案可以讓我們無需購買量子計算機，直接利用他們的方案可以讓我們無需購買量子計算機，直接利用他們提供的云服務進行量子計算的學習和應用提供的云服務進行量子計算的學習和應用微軟的LIQUi| 開發(fā)套件 LIQUi |是量子計算的軟件體系結(jié)構(gòu)和工具包。 它包括編程語言，優(yōu)化和調(diào)度算法，以及量子模擬器。 LIQUi |可用于將以高級程序形式寫入的量子算法轉(zhuǎn)換為量子器件的低級機器指令。 LIQUi |正在由微軟研究院的Quantum架構(gòu)與計算組（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的簡單語法允許建造、操作和使用QuTiP發(fā)展量子對象只需要幾行代碼。容易學習,100%開源,QuTiP是理想的工具箱研究或教室。 基于Python開發(fā)，功能強大量子編程總結(jié) 量子計算機另一個顯著特點就是基于概率的輸出結(jié)果，計算機會輸出多個結(jié)果。一些是正確的，而另一些不是。這看起來并不是一件好事，一臺計算機在你求解時返回多個答案這看上去像是個Bug！但是在量子計算機中返回多個答案的同時，也給我們提供了關于答案可信度的重要信息。這種不確定性對于設計一個能夠識別復雜情況并