量子計(jì)算機(jī)編程總結(jié)課件

量子計(jì)算機(jī)編程量子計(jì)算機(jī)編程1什么是量子計(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)存儲為多個位上的０和１，量子計(jì)算機(jī)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(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。我們首先會講解“量子位”qubit是如何取代傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的“數(shù)據(jù)位”bits的。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)2電燈開關(guān)游戲——一個簡單的場景游戲從應(yīng)用場景出發(fā)，才能更好地解釋量子計(jì)算機(jī)編程

電燈開關(guān)游戲——一個簡單的場景游戲從應(yīng)用場景出發(fā)，才能更好地3簡單問題的簡單解根據(jù)我們?yōu)槊總€開關(guān)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：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)上就會得到最小的得分。這是個很簡單的規(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。簡單問題的簡單解根據(jù)我們?yōu)槊總€開關(guān)選的狀態(tài)，我們會得到不同的4復(fù)雜的電燈開關(guān)問題

復(fù)雜的電燈開關(guān)問題

5復(fù)雜問題的求解？求解這樣的一個電燈開關(guān)問題，將會變得十分復(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)一步增加的時候，要得到最終的得分將會變得更加困難。復(fù)雜問題的求解？求解這樣的一個電燈開關(guān)問題，將會變得十分復(fù)雜6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:[ONON],[ONOFF],[OFFON]

或

[OFFOFF]。但是當(dāng)你加入更多的開關(guān)時，可能的組合數(shù)會成指數(shù)的增長：（switches開關(guān)數(shù)possibleanswers可能的組合數(shù)）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7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)存儲相當(dāng)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(guān)狀態(tài)，一些人將之稱為同時處于開關(guān)狀態(tài)。你可以將這個比喻應(yīng)用到電燈開關(guān)游戲上，就是量子位對應(yīng)的開關(guān)可以同時處在開關(guān)的兩個狀態(tài)上：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8量子計(jì)算機(jī)解決電燈開關(guān)問題由于每個開關(guān)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，使用量子編程可以提取得分最低的這組狀態(tài)。量子計(jì)算機(jī)解決電燈開關(guān)問題由于每個開關(guān)都包含兩種狀態(tài)，因此這9什么是量子編程？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)關(guān)閉量子的疊加態(tài)效應(yīng)，同時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)行這個操作時，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個開關(guān)和對應(yīng)產(chǎn)生的2的N次方個開關(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)式中最低的那個組合。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10量子計(jì)算機(jī)和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)編程的區(qū)別在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)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(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。一組狀態(tài)不確定的量子位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而不是傳統(tǒng)的邏輯程序來對它們進(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)束的時候它們都會停在-1或+1的狀態(tài)。量子計(jì)算機(jī)和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)編程的區(qū)別在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中，我們使用一個11什么是能量程序？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)際問題轉(zhuǎn)換成量子計(jì)算機(jī)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(jī)器碼來給你的電腦編程！幸運(yùn)的是，有一些更好的使用量子編譯器的開發(fā)方法。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12常見的量子編程軟件及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(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-QuantumToolboxinPython.類似匯編語言的量子編程語言命令式編程的QCLQCL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(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，所以程序在運(yùn)行中的qubit量子態(tài)可以被看到，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QuipperQuipper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。常見的量子編程軟件及工具高級的綜合編譯工具類似匯編語言的量子13D-Wave公司的2000Q系統(tǒng)軟件架構(gòu)

提供了一個基于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。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(luò)訪問，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，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)器上跑D-Wave公司的2000Q系統(tǒng)軟件架構(gòu)提供了一個基14D-Wave公司的軟件工具支持使用一個程序的C、c++、Python或MATLABQMIs創(chuàng)建和執(zhí)行使用遞工具如:QSage,專為優(yōu)化問題設(shè)計(jì)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(lǐng)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QMID-Wave公司的軟件工具支持使用一個程序的C、c++、Py15量子編程的應(yīng)用電燈開關(guān)游戲只是眾多的優(yōu)化問題中的一種，很多科學(xué)問題的關(guān)鍵就是這樣的優(yōu)化問題。優(yōu)化、機(jī)器學(xué)習(xí)、采樣/蒙特卡洛、模式識別和異常檢測、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)/癌癥研究等等量子編程的應(yīng)用電燈開關(guān)游戲只是眾多的優(yōu)化問題中的一種，很多科16D-Wave公司提供很多應(yīng)用程序解決方案國防應(yīng)用程序任務(wù)規(guī)劃和物流系統(tǒng)確認(rèn)和驗(yàn)證模式識別和異常檢測網(wǎng)絡(luò)科學(xué)和圖論的應(yīng)用程序網(wǎng)絡(luò)安全國家實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用程序優(yōu)化問題圖論問題材料科學(xué)電子結(jié)構(gòu)的問題理論和實(shí)驗(yàn)物理機(jī)器學(xué)習(xí)D-Wave公司提供很多應(yīng)用程序解決方案國防應(yīng)用程序國家實(shí)驗(yàn)17D-Wave公司提供很多應(yīng)用程序解決方案網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序圖像和模式識別機(jī)器學(xué)習(xí)溝通高級搜索網(wǎng)絡(luò)安全大學(xué)應(yīng)用程序氣候模型生物信息學(xué)天氣預(yù)測探索量子計(jì)算金融應(yīng)用程序風(fēng)險(xiǎn)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(yīng)用程序解決方案網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序大學(xué)應(yīng)用18D-Wave公司提供很多應(yīng)用程序解決方案能源應(yīng)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D-Wave公司提供很多應(yīng)用程序解決方案能源應(yīng)用程序醫(yī)療保健19IBM公司的IBMQ與量子信息軟件工具包(QISKit)IBMQ是業(yè)界第一個為商業(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（簡稱QISKit）是一個與OpenQASM和IBMQ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。對于在線后端，QISKit使用我們的pythonAPI客戶端連接到IBMQ體驗(yàn)。注意：IBM的方案可以讓我們無需購買量子計(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IBM公司的IBMQ與量子信息軟件工具包(QISKit)I20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(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/

微軟的LIQUi|>開發(fā)套件LIQUi|>是量子計(jì)算的軟21日本理化研究所RIKEN的QuTipQuTip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(xué)習(xí),100%開源,QuTiP是理想的工具箱研究或教室?；赑ython開發(fā)，功能強(qiáng)大日本理化研究所RIKEN的QuTipQuTip的原始框架用P22量子編程總結(jié)量子計(jì)算機(jī)另一個顯著特點(diǎn)就是基于概率的輸出結(jié)果，計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)中返回多個答案的同時，也給我們提供了關(guān)于答案可信度的重要信息。這種不確定性對于設(shè)計(jì)一個能夠識別復(fù)雜情況并作出判斷的計(jì)算方法非常重要。量子計(jì)算機(jī)不是用來取代經(jīng)典計(jì)算機(jī)的，而是為了處理經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法解決的問題。量子編程總結(jié)量子計(jì)