量子计算机编程总结

量子计算机编程什么是量子计算机？•要了解量子计算机编程，首先要了解量子计算机的工作原理传统计算机基于CPU芯片的二进制流处理模式传统计算机将数据存储为多个位上的０和１，量子计算机改变了这一切。用来理解数据位内容的物理原理是完全不同的，为了制造这样的计算系统，我们需要不同的处理器设计方式、架构。最终在这种系统上的变成方法也是不同的。我们首先会讲解“量子位”qubit是如何取代传统计算机的“数据位”bits的。电灯开关游戏——一个简单的场景游戏•从应用场景出发，才能更好地解释量子计算机编程电灯开关游戏要寻找到一套最佳的开关组合.假设每个电灯开关都有一个对应的系数，这个系数是不能改变的。我们称之为‘偏差值’,ℎ𝑖。你需要选择每个开关是开(对应+1值)还是关(对应-1值)，我们称之为状态值𝑠𝑖。然后我们用偏差值乘上你选择的状态值，这样得到一个值。简单问题的简单解根据我们为每个开关选的状态，我们会得到不同的得分。很容易就会发现其中的规律，并找到答案如下所示：我们发现把有正偏差值的灯关上，把负偏差值的灯关上就会得到最小的得分。这是个很简单的规则，你可以将之应用到更多开关的题目上上以得到最小的得分。复杂的电灯开关问题假设开关变成结对出现的，每个结对上都有自己的偏差值𝐽𝑖𝑗，这个偏差值会乘上这个连接两端开关的状态值并计入得分。得分的计算公式在扩展后变成了这样：复杂问题的求解？求解这样的一个电灯开关问题，将会变得十分复杂，电灯的状态值很难确定，因为最终的得分不只和自身的偏差值相关，同时还与相邻的状态偏差值相关。当开关数量进一步增加的时候，要得到最终的得分将会变得更加困难。电灯开关游戏的计算量只取出其中一组连接的开关，你可以尝试各种开关组合，只有四种可能:[ONON],[ONOFF],[OFFON]或[OFFOFF]。但是当你加入更多的开关时，可能的组合数会成指数的增长：（switches开关数possibleanswers可能的组合数）量子位qubit的出现量子计算机的基础是使用量子的叠加状态存储相当于若干传统数据位bits的信息。你可以把这个想象成量子位qubit没有确定的开关状态，一些人将之称为同时处于开关状态。你可以将这个比喻应用到电灯开关游戏上，就是量子位对应的开关可以同时处在开关的两个状态上：量子计算机解决电灯开关问题由于每个开关都包含两种状态，因此这样的存储状态已经包含了所有的可能，那么得分最低的那个状态组合自然也包含其中，只是我们不知道罢了，使用量子编程可以提取得分最低的这组状态。什么是量子编程？•先将系统置为从之前描述的量子叠加态，然后慢慢地让量子计算机关闭量子的叠加态效应，同时将条件中的偏差值赋给相应的开关和开关之间的连接（之前的H，J值）。当你进行这个操作时，量子开关脱离量子的叠加态并进入传统的开关状态，不是开就是关。最终量子计算机中的量子机制帮助这些电灯开关最后找出得分最低的组合。即便有N个开关和对应产生的2的N次方个开关组合，量子计算机也可以一步找到所有组合的游戏积分表达式中最低的那个组合。量子计算机和传统计算机编程的区别在传统计算机中，我们使用一个确定的数据位bits组合和另一个数据位bits组合在运算处理其中进行运算。而在量子计算机中，我们用一个状态不确定的量子位组合作为输入，所以处理器中的运算方法也是截然不同的。一组状态不确定的量子位qubit被初始化成不确定的量子叠加态，而这次使用一个能量程序而不是传统的逻辑程序来对它们进行计算，量子位qubit在运算的开始是不确定的，而在运算结束的时候它们都会停在-1或+1的状态。什么是能量程序？•能量程序对应的就是电灯游戏里的偏差值也就是之前公式中的H和J。在开关游戏中，我们说H和J是提供给你的条件。而现在我们了解到H和J实际上就是量子计算实际要解决的问题的条件。编制包含一系列H和J值的能量程序——也就是将你关心的实际问题转换成量子计算机能解决的问题——是非常困难和消耗时间的。这个过程类似于使用机器码来给你的电脑编程！幸运的是，有一些更好的使用量子编译器的开发方法。常见的量子编程软件及工具•高级的综合编译工具•目前有以D-Wave的Qbsolv为代表的图像化的操作界面功能强大•IBM的QISKit开发套件功能强大•微软的LIQUi|开发套件•日本理化研究所RIKEN推出的QuTiP-QuantumToolboxinPython.类似汇编语言的量子编程语言•命令式编程的QCLQCL的语法和C相似，让传统程序员可以用一种熟悉的形式来给量子计算机编程。最基本数据类型是qureg，类似于队列。QCL支持用户自定义操作符和函数。由于QCL编译器用的是qlib仿真库，所以程序在运行中的qubit量子态可以被看到，但这在真正的量子计算机上是不可能的，只能在模拟器上可以实现。•函数式编程的QuipperQuipper在函数式编程语言里算是最新成员，是一种嵌入式语言，宿主语言为Haskell。D-Wave公司的2000Q系统软件架构提供了一个基于RESTful服务的标准的网络API，以及可用于C/C++/Python/Matlab编程的客户端库。这个接口允许用户访问系统，要么作为云资源通过网络访问，要么集成到他们的高性能计算环境和数据中心。使用D-Wave公司的开发工具和客户端库，开发人员可以在现有的环境中使用行业标准工具来创建算法和应用程序注意：Qbsolv写的程序目前只能在D-Wave的机器上跑D-Wave公司的软件工具支持•使用一个程序的C、c++、Python或MATLABQMIs创建和执行•使用递工具如:•QSage,专为优化问题设计的翻译器•ToQ，一种高级语言翻译器，用于约束满足问题，旨在让用户用问题领域的语言“说话”•qbsolv是一个开源的混合分区优化求解器，用于解决大于QPU本身的问题。•dw，它执行通过文本编辑器创建的QMI量子编程的应用•电灯开关游戏只是众多的优化问题中的一种，很多科学问题的关键就是这样的优化问题。•优化、机器学习、采样/蒙特卡洛、模式识别和异常检测、网络安全、图像分析、财务分析、软件/硬件验证和确认、生物信息学/癌症研究等等D-Wave公司提供很多应用程序解决方案•国防应用程序•任务规划和物流•系统确认和验证•模式识别和异常检测•网络科学和图论的应用程序•网络安全•国家实验室应用程序•优化问题•图论问题•材料科学•电子结构的问题•理论和实验物理•机器学习D-Wave公司提供很多应用程序解决方案•网络应用程序•图像和模式识别•机器学习•沟通•高级搜索•网络安全•大学应用程序•气候模型•生物信息学•天气预测•探索量子计算•金融应用程序•风险建模•交易策略•检测市场不稳定•制定交易策略•优化交易轨迹•优化资产定价和套期保值•优化投资组合D-Wave公司提供很多应用程序解决方案•能源应用程序•能源勘探•地震勘探的优化•储备和现货交易优化•水库优化•医疗保健应用程序•优化放疗治疗•生成靶向抗癌药物疗法•创建蛋白质模型IBM公司的IBMQ与量子信息软件工具包(QISKit)•IBMQ是业界第一个为商业和科学构建商用通用量子计算系统的计划。•量子信息软件包（简称QISKit）是一个与OpenQASM和IBMQ体验（QX）协同工作的软件开发工具包（SDK）。•使用QISKit创建量子计算程序，编译它们，并在几个后端之一（在线实型量子处理器，在线模拟器和本地模拟器）上执行它们。对于在线后端，QISKit使用我们的pythonAPI客户端连接到IBMQ体验。注意：IBM的方案可以让我们无需购买量子计算机，直接利用他们提供的云服务进行量子计算的学习和应用微软的LIQUi|开发套件•LIQUi|是量子计算的软件体系结构和工具包。它包括编程语言，优化和调度算法，以及量子模拟器。LIQUi|可用于将以高级程序形式写入的量子算法转换为量子器件的低级机器指令。LIQUi|正在由微软研究院的Quantum架构与计算组（QuArC）开发。•开源代码：日本理化研究所RIKEN的QuTip•QuTip的原始框架用Python书写，Python的简单语法允许建造、操作和使用QuTiP发展量子对象只需要几行代码。容易学习,100%开源,QuTiP是理想的工具箱研究或教室。•基于Python开发，功能强大量子编程总结•量子计算机另一个显著特点就是基于概率的输出结果，计算机会输出多个结果。一些是正确的，而另一些不是。这看起来并不是一件好事，一台计算机在你求解时返回多个答案这看上去像是个Bug！但是在量子计算机中返回多个答案的同时，也给我们提供了关于答案可信度的重要信息。这种不确定性对于设计一个能够识别复杂情况并作出判断的计算方法非常重要。•量子计算机不是用来取代经典计算机的，而是为了处理经典计算机无法解决的问题。详情关于编程方法步骤见白皮书及网站•公司官网•公司开发套件下载•量子计算官网•微软量子团队•日本理化研究所RIKEN研究团队