量子コンピューターのプログラミング言語

イオン量子コンピューターのコアのプロトタイプ。 サセックス大学イオン量子技術グループ

時々量子コンピューターがメディアに入ります。 ほとんどの場合、量子コンピューティングの開発は奇妙で神秘的な芸術のままですが、人がどのように一歩一歩創造に近づいているのかを聞きます。

幸いなことに、この問題を解決するために、幅広い視聴者の注目を集める優れたプロジェクトが登場します。 たとえば、数年前、IBMは誰でも5量子ビットコンピューターに接続できるようにしました。 プロジェクトは70,000人を登録しています。

ただし、量子コンピューティング業界はまだ初期段階にあります。 多くのプロトタイプがすでに作成されていますが、通常のラップトップでは処理できないことはできません。 必要なハードウェアはまだ存在していませんが、学ぶべきものがもう1つあります。量子プログラミング言語です。

量子コンピューティングの世界への旅は誰​​もがアクセスでき、通常のプログラミングにおける通常の言語の研究に似ています。

量子コンピューティング

量子コンピューティングの世界に没頭するために、量子コンピューターを家に置いておく必要はありません。 実際の量子デバイスへのアクセスを提供するプロジェクトがありますが、単純な量子プログラムは通常のラップトップで簡単にモデル化できます。

プログラムを取り上げる前に、量子コンピューティングに関する基本的なことを思い出しましょう。 そして、ここで、Brian Hayesによる記事「 Programming Your Quantum Computer 」が役立ちます。

典型的なコンピューターはビットに基づいています。2つの可能な値しか持たない変数について話しています。 ブール代数のコンテキストでは「True」および「False」と呼ぶことができますが、多くの場合、それらを0および1と呼びます。

NOT、AND、ORなどのビットを使用して、単純なブール演算を実行できます。 ビットよりも複雑な変数（たとえば、intまたはfloat）は、単に多くのビットのコレクションです。

量子コンピューターは、量子ビットまたは量子ビットに基づいています。 また、2つの可能な意味があり、0および1と呼ぶことができます。しかし、量子力学の法則では、重ね合わせ状態と呼ばれる他の意味も可能です。

ある意味では、重ね合わせ状態は極値0と1の間に存在する値です。キュービットは、0と1が反対の極にある球体と考えることができます。 重ね合わせ状態は、サーフェス上の他のすべての可能な点です。

キュービットは、0.63などの中間値を持つことができるわけではありません。 キュービットの状態が測定されると、結果は常に0または1になります。ただし、計算中、キュービットは状態の混合であるかのように動作できます。たとえば、63％ゼロと37％ユニットです。

量子ビットの振る舞いのもう1つの重要な側面は、波物理学でよく知られている現象である干渉です。 2つの波が重なり合うとき、それらは互いに増幅することができます（ピークと波のような減衰が一致する場合）、またはそれらは互いに水平にすることができます（波が位相に対応しない場合）。 数学的には、任意のポイントでの結合波の強度は、個々の波の振幅の合計の2乗によって決まります。 2つの振幅の符号が同じ場合、干渉は建設的です。 一方の振幅が正で、もう一方の振幅が負の場合、結果として生じる破壊的な干渉は、1つの波の強度よりも小さい強度を与えます。

波のように、キュービットの状態0および1には、正または負の振幅があります。 振幅の符号に応じて、量子干渉は、キュービットの状態を測定するときに特定の状態が観測される確率を増加または減少させる可能性があります。

干渉は、量子コンピューターのすべての興味深いアルゴリズム、つまり、そのようなマシンが古典的なコンピューターを超えることを可能にするアルゴリズムで役割を果たします。 量子システムの進化を整理する一般的な考え方は、誤った答えは破壊的な干渉によって抑制され、正しい答えは建設的な干渉によって増幅されるというものです。 したがって、アルゴリズムは、量子システムに固有の形式の並列処理を使用します。

量子の奇妙さの最新の側面の1つは、エンタングルメントです。 クォンタムレジスタ内の1つのキュービットを変更して、残りを変更することはできません。 まず、量子システムで計算される各関数は完全に可逆的でなければなりません。 マシンが入力Aを受け取って結果Bを出力する場合、BがあればAを復元できるはずです。

各関数には、同じ数の入力と出力が必要です。 一気に、このルールはほとんどの算術演算を禁止します。 たとえば、通常の加算アルゴリズムは元に戻せません。 3と4を追加して7を取得できますが、7を「切断」して元の3と4を復元することはできません。

量子コンピューティングのもう1つの禁止事項は、キュービットのコピーです（この原則は、クローン禁止定理と呼ばれます）。 また、計算の途中で任意にキュービットをインストールまたは再ロードすることはできません。 これを試みると、量子の重ね合わせが破壊されます。

全体として、量子ビット操作の制限は、すべての量子プログラムが煙突アーキテクチャを持たなければならないことを意味します。つまり、情報は一端から他端へ直接流れます。 特に重要なのは、プログラム構造内に、制御が以前のポイントに戻されるサイクルがないことです。

これらの困難に対する答えは、量子プログラミング言語にあります。 実際、量子コンピューターはハイブリッドデバイスです。部分的に量子コンピューターと部分的に古典的なコンピューターです。 外部アプリケーションと対話するために、入力および出力を処理するには、従来のコンピューターの要素を使用する必要があります。 したがって、1つのプログラムで、古典的なコードと量子コードを組み合わせることができます。

オープン量子アセンブリ言語（OpenQASM）

OpenQASMソースコードは、 Quantum Experience量子コンピューティングプラットフォームで使用するためのIBM Quantum Information Software Kit （QISKit）の一部としてリリースされました。 OpenQASMは、電子回路の構造と動作を記述するために使用される特殊なプログラミング言語（Verilogなど）との類似点を共有しています。

QASMプログラムは、実際には常に同じ方法で開始します。必要なすべてのビット（クォンタムとノーマルの両方）を定義します。 以下はOpenQASMソースコードの例です。 プログラムは2つの4ビット数を追加します。

OPENQASM 2.0; include "qelib1.inc"; gate majority a,b,c { cx c,b; cx c,a; ccx a,b,c; } gate unmaj a,b,c { ccx a,b,c; cx c,a; cx a,b; } qreg cin[1]; qreg a[4]; qreg b[4]; qreg cout[1]; creg ans[5]; //    xa[0]; // a = 0001 xb; // b = 1111 //  a  b,    b majority cin[0],b[0],a[0]; majority a[0],b[1],a[1]; majority a[1],b[2],a[2]; majority a[2],b[3],a[3]; cx a[3],cout[0]; unmaj a[2],b[3],a[3]; unmaj a[1],b[2],a[2]; unmaj a[0],b[1],a[1]; unmaj cin[0],b[0],a[0]; measure b[0] -> ans[0]; measure b[1] -> ans[1]; measure b[2] -> ans[2]; measure b[3] -> ans[3]; measure cout[0] -> ans[4]; 

Q #

高度なプログラミング言語Q＃により、量子物理学に関する深い知識が不要になります。 言語の教科書に興味がある人のために、ベクトルおよび行列数学、キュービット、 ディラック記法 、 パウリの原理、および量子スキームをカバーする、量子コンピューティングの基本概念に関する情報を提供します。

 operation Teleport(msg : Qubit, there : Qubit) : () { body { using (register = Qubit[1]) { let here = register[0]; H(here); CNOT(here, there); CNOT(msg, here); H(msg); if (M(msg) == One) { Z(there); } if (M(here) == One) { X(there); } } } } 

Q＃チュートリアルのTeleportation.qsスクリプト。 チュートリアルはこちらから入手できます。

Q＃は他のほとんどのプログラミング言語のようには見えず、C＃とやや似ています。

Quantum Development Kitは、詳細なインストール手順と入門トレーニングプログラムとともに無料で提供されます。 Q＃Visual Studio量子シミュレーターでコンパイルし、32量子ビット量子プロセッサーをシミュレートします。 シミュレーターは、最大40キュビットをシミュレートできます。

Microsoftのチュートリアルに従うと、学習プロセスは2つのキュービットからのもつれ状態の観察から、量子テレポーテーションのモデリングに進みます。

LIQUi（言語統合量子操作）

Microsoft ResearchのQuantum Architectures and Computation Groupチームによって作成されたLIQUiプラットフォームには、プログラミング言語、最適化および計画アルゴリズム、およびいくつかの量子シミュレーターが含まれています。 LIQUiを使用して、.NET FrameworkファミリのF＃で高レベルプログラムとして記述された量子アルゴリズムを、量子コンピューター用の低レベルコマンドに変換できます。

LIQUiでは、32 GBのRAMを搭載した1台のマシンで最大30キュビットをシミュレートできます。 このプラットフォームを使用して、さまざまなグラフィック形式で量子スキームを定義、実行、表示できます。 LIQUiを使用すると、単純な量子テレポーテーション、ショア因子分解アルゴリズム、量子連想メモリ、および量子線形代数をシミュレートできます。

 operation TeleportClassicalMessage(message : Bool) : Bool { body { mutable measurement = false; using (register = Qubit[2]) { //   ,     . let msg = register[0]; let there = register[1]; //  ,    . if (message) { X(msg); } Teleport(msg, there); //  . if (M(there) == One) { set measurement = true; } ResetAll(register); } return measurement; } } 

上記の例からわかるように、LIQUiはQ＃と非常によく似ています。

量子計算言語（QCL）

QCL、または量子計算言語は、1998年にBernhard Omerによって作成されました。 言語の開発は現在も続けられています。古典的なコンピューターで量子プログラムを実行できるエミュレーターがあります 。 もちろん、エミュレーターは量子並列処理の加速を提供できません。 一方、プログラマーには、量子ビットの内部状態をチェックするためのコマンド（実際の量子機器で行うのは非常に困難です）など、いくつかの便利な機能を提供します。

QCLは、変数の値を設定およびリセットするために直接コマンドに依存するため、「命令型」言語と呼ばれることのあるCおよびJavaの構文を借用します。 このようなコマンドは通常、量子コンピューティングでは禁止されているため、QCLプログラムの主要部分は従来の機器でのみ機能します。 量子システムは、量子ビットの計算に適した形式で質問できる質問に答える「オラクル」として機能します。 オラクルへの各リクエストには、必要なチムニーアーキテクチャが必要ですが、外部の古典的なコンテキストのループに埋め込むことができます。

QCL（離散フーリエ変換）で作成されたコードの断片：

 operator dft(qureg q) { const n=#q; int i; int j; for i=1 to n { for j=1 to i-1 { V(pi/2^(ij),q[ni] & q[nj]); } H(q[ni]); } flip(q); } 

離散フーリエ変換は、ショア分解アルゴリズムの重要なステップです。 Shoreアルゴリズムでは、因数分解される数は、波のような周期的な信号と見なされます。 Nに係数uおよびvがある場合、Nはvのu回の繰り返しまたはuのv回の繰り返しで構成されます。 Shoreアルゴリズムは、量子並列性を使用してこのような繰り返しの期間を検索しますが、プロセスは上記の例のように単純で単純ではありません。

キッパー

言語は、Peter Selingerが率いる著者チームによって作成されました 。 QuipperはQCLと同じプログラミングタスク用に設計されていますが、構造と外観が異なります。 この言語は、命令的な表現ではなく機能的な表現を使用するHaskell拡張として実装されています。

古典的な量子テレポーテーションを検討してください。 アリスとボブの2つの側面が含まれています。 アリスの目標は、qビットをボブにテレポートすることです。 アリスとボブは、複雑なペア（a、b）からのキュービットにアクセスする必要があります。 2つのキュービットqとaを導入する関数に関して、アリスの役割を考えることができます。 関数の出力は、Aliceによって作成された従来のビットのペアになります。

 alice :: Qubit -> Qubit -> Circ (Bit,Bit) alice qa = do a <- qnot a 'controlled' qq <- hadamard q (x,y) <- measure (q,a) return (x,y) 

詳細については、「 Quipperでの量子プログラミングの概要 」 というドキュメントを参照してください。

そして、組み込みの二乗手順でxを16度まで上げ、xとx ^ 16を掛けることで、17度まで上げる興味深い例があります。

 o4_POW17 :: QIntTF -> Circ (QIntTF,QIntTF) o4_POW17 = box "o4" $ \x -> do comment_with_label "ENTER: o4_POW17" x "x" (x, x17) <- with_computed_fun x (\x -> do (x,x2) <- square x (x2,x4) <- square x2 (x4,x8) <- square x4 (x8,x16) <- square x8 return (x,x2,x4,x8,x16)) (\(x,x2,x4,x8,x16) -> do (x,x16,x17) <- o8_MUL x x16 return ((x,x2,x4,x8,x16),x17)) comment_with_label "EXIT: o4_POW17" (x,x17) ("x","x17") return (x, x17) 

Quipperシステムはコンパイラーであり、インタープリターではありません。 彼は一度に完全なプログラムを翻訳し、次々と指示に従わない。 コンパイラの出力は、相互接続された可逆論理ゲートのネットワークである量子回路で構成されています。 回路は電気回路の形をとることができますが、適切な量子機器またはシミュレータを使用して実行する準備ができている一連の命令も表します。

Quipperは、QCLと同様に、高レベルのソースセマンティックコンストラクトからスキーマを自動的に生成します。

その他のアプローチ

マルチカラーの正方形は、5つのIBM量子ビットの処理方法を示します。 ドラッグアンドドロップすることで、独自の量子コンピューティングを作成できます

IBM Quantum Experienceプロジェクトは、誰もが実際の量子コンピューターで実験プログラムを実行する機会を提供します。 IBMプログラミング言語での作業は、アプリケーションを使用して音楽を書くことに似ています。 プログラマは、量子オブジェクトを特定の領域にドラッグするだけでプログラムを作成できます。

Quantum Computing PlaygroundはWebGL Chromeの実験であり、ブラウザウィンドウで量子コンピューターの操作をシミュレートできます。 デバッグおよび3D量子化視覚化機能を備えた独自のQscriptスクリプト言語があります。 量子コンピューティングプラットフォームは、最大22量子ビットの量子レジスタを効果的にシミュレートできます。

Python QISKit SDKには、量子プログラミングの目標を示すために IBM Qエンジニアが提供したいくつかのツールが含まれています。 特に、SDKは、複雑な実験のためにいくつかのタスクを完了する方法を示しています。 名前が示すように、QISKitを使用すると、開発者はPythonを使用して量子コンピューターを探索できます。

Qbsolvは、D-Wave量子プロセッサ（この会社のコンピューターにのみ適しています）のキュービットを操作するためのオープンソースプロジェクトです。

すでに数十の量子プログラミング言語（およびシミュレーター）がありますが、それらはすべて仮想マシンで動作します。 おそらく、IBM Qは、実際の量子コンピューターへのアクセスを提供する唯一のプロジェクトです。 ただし、「量子プログラミング」に取り掛かるには、実際の高度なデバイスにアクセスする必要はまったくありません。 すでに、有望な量子アルゴリズムの研究だけでなく、ゲームなどの実用的なアプリケーションを作成することもできます。 しかし、これはまったく異なる話です。

ソース：

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Quipper：量子コンピューター向けの最初の高レベルでスケーラブルなプログラミング言語
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