量子计算机编程总结

• 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- Quantum Toolbox in Python.
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
常见的量子编程软件及工具
类似汇编语言的量子编程语言 • 命令式编程的QCL QCL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Quipper Quipper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。
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������������������ ，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：
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
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
• https://www.dwavesys.com/ D-Wave公司官网 • https://github.com/QISKit/qiskit-sdk-py IBM公司开发套件下载 • https://www.research.ibm.com/ibm-q/ IBM量子计算官网 • https://www.microsoft.com/en-us/research/lab/quantum/ 微软量子 团队 • http://qutip.org/download.html 日本理化研究所RIKEN研究团队
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。
D-Wave公司的软件工具支持
• 使用一个程序的C、c++、Python或MATLAB QMIs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
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。
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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
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IBM Q与量子信息软件工具包 (QISKit)
• IBM Q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IBM Q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python API客户端连接到IBM Q 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
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: [ON ON], [ON OFF], [OFF ON] 或 [OFF OFF]。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possible answers可能的组合 数）
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。
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。
传统计算机基于CPU芯片的二进制流处理模式
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’,ℎ������ 。 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������������ 。然后我们用 偏差值乘上你选择的状态值，这样得到一个值。
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：http://stationq.github.io/Liquid/