量子计算除了硬件还要软件！盘点2021年谁最流行

量子计算机有望将功耗从100倍降低到1000倍，因为它们适宜在超低温度下运行，在该温度下，处理器将作为超导体工作（即它可以在几乎没有电阻的情况下导电）。另一方面，量子计算机可以加速机器学习过程，将数千年的学习时间减少到几秒钟。基于两个可能值0或1的量子比特（Qubits），量子计算机虽然不遵守牛顿定律，但是量子定律允许它们具有同时出现0和1的概率。

由于量子计算机 (QC) 蕴藏着巨大的商业潜力，谷歌和IBM等科技巨头正在为没有QC的用户提供学习如何使用不同量子编程语言编程和操作量子电路的机会：

量子编程语言

量子编程语言是将想法落地为由量子计算机执行的指令的基础。根据《Nature Reviews》的说法，量子编程语言可用于：

• 管理现有的物理设备

• 预测量子算法在可能运行设备上的执行成本

• 验证量子计算的概念（量子位、叠加、纠缠）

• 测试和验证量子算法及其实现结果

当前的量子编程语言和编译器主要集中在优化由量子门组成的低级电路上。量子门是量子电路的基石，它们类似于可逆逻辑门，例如Fredkin门、Tofffoli 门、交互门和开关门。然而，最小的经典可逆门必须使用三位，而最小的量子门只需使用两位。

 

（图片来源：维基百科）

大多数量子编程是用3种语言完成的：

命令式量子编程语言

 

（图片来源：美国科学家）

命令式编程语言是由要执行的分步指令组成，用以实现所需的结果。经典计算机中的命令式语言包括C、JavaScript、Pascal、Python等。最流行的量子命令式语言有：

1.QCL：量子计算语言，最早实现的量子编程语言之一，它在语法和数据类型方面类似于C语言。

2.QMASM：Quantum Macro Assembler，2016 年发布，是一种专用于量子退火的低级语言。QMASM的意义在于，它使程序员不必了解特定系统的硬件细节，且允许在低抽象级别上编写程序。

3.Silq：最初于2020年发布，Silq是一种用D语言编写的高级编程语言，在github上拥有482颗星和10位贡献者，并在2021年定期更新。

其他命令式Q语言包括Quantum伪代码、Q|SI>、Q语言、qGCL和Scaffold。

函数式量子编程语言

 

（图片来源：美国科学家）

函数式编程语言不依赖于逐步指令，而是依赖于数学函数，这意味着可以使用数学变换将输入转换为输出。函数式语言不如命令式语言流行，因为它们不支持流控制（例如循环语句）或条件语句（例如 if/else语句）。使用它们的好处在于：

1.少出错

1）编写和审查功能代码的程序员表示更容易发现错误，因为可隐藏的漏洞更少。

2）报告的功能性错误更容易修复。 

2.可嵌套函数

3.评估方便：

1）延迟表达式的求值，按照需要给出结果值

2）避免重复评估

量子计算机的顶级编程语言是：

1.QML：发表于2007年，一种基于严格线性逻辑的类Haskell量子编程语言，它可以集成可逆和不可逆的量子计算。

2.Quantum Lambda Calculus：它基于1930年引入的经典λ演算，并于1996年首次定义用于量子计算。它使用高阶函数（λx.x^3），因此它比标准的量子计算模型更强，例如作为量子图灵机或量子电路模型。

3.QFC和QPL：在语义上QFC和QPL是等效的。但是，在QFC中，量子程序是使用流程图语法表示的，而在QPL中，量子程序的句法结构是使用文本表示法来表示。

其他函数式语言包括LIQUi|>和Quipper。

多范式语言

还有一些特定领域的多范式语言，例如Microsoft的Q#和XanduAI的Strawberry Fields。

量子软件开发套件

无论开发者使用命令式、函数式还是多范式语言来编写量子算法，都需要量子软件来创建和操作量子程序，并且需要SDK在原型量子设备和模拟器上运行量子电路，这些运行量子程序的软件环境通常是使用开源Python语言。

量子编程算法

编程量子计算机的目的是解决量子物理学的问题。可以编程的量子算法包括：

1、代数和数论算法，例如因式分解和高斯和；

2、近似和模拟，例如量子模拟、zeta函数和结不变量；

3、机器学习算法，例如聚类、二元分类和训练神经网络。

量子编程的挑战

量子计算机编程的难点在于：

1、制定通用QC语言的难点；

2、量子力学中的不完备性和隐藏变量；

3、量子计算机仍处于起步阶段，只能处理 <100 位量子比特，因此还不足以运行复杂的量子算法。

但是，开源SDK的可用性使社区能够为编程挑战找到解决方案，并为量子计算找到更多实际应用场景。

文：阿拉米拉·朱曼·哈贾尔

编译：慕一

编辑：王珩

注：本文编译自“AI Multiple ”，文章中的信息或所表述的观点意见，均不代表量子前哨同意或支持。