Перегляд вихідного коду сторінки Квантове програмування

'''Квантове програмування''' є набором комп'ютерних [[мова програмування|мов програмування]], які дозволяють запис [[квантовий алгоритм|квантового алгоритму]] з використанням конструкцій високого рівня<ref>{{cite web  | author=Jarosław Adam Miszczak |url= http://www.amazon.com/High-Level-Structures-Quantum-Computing/dp/1608458512/ |title= High-level Structures in Quantum Computing |accessdate=12 грудня 2015}}</ref>.  Завдання квантових мов не полягає у тому, щоб надати інструмент для програмістів, а в тому, щоб надати інструменти для дослідників, щоб зрозуміти краще, як працюють квантові обчислення і як формально доводити коректність квантових алгоритмів.

Можна виділити дві основні групи квантових мов програмування: імперативні квантові мови програмування і функціональні квантові мови програмування.
Найбільш відомими представниками першої групи є QCL<ref>{{cite web|author=Bernhard Omer|title=Мова програмування QCL|url=http://tph.tuwien.ac.at/~oemer/qcl.html|accessdate=16 Квітня 2016|archive-date=8 Жовтня 2003|archive-url=https://web.archive.org/web/20031008180632/http://tph.tuwien.ac.at/~oemer/qcl.html}}</ref> і LanQ.<ref>{{cite web|author=Hynek Mlnařík|title=LanQ – квантова імперативна мова програмування|url=http://lanq.sourceforge.net/|accessdate=16 Квітня 2016|archive-date=20 Травня 2016|archive-url=https://web.archive.org/web/20160520023719/http://lanq.sourceforge.net/}}</ref>
Ведеться робота з розробки [[Функційне програмування|функціональних мов програмування]] для [[Квантовий комп'ютер|квантових обчислень]]. Приклади включають QPL Селінджера,<ref name="qpl">Пітер Селінджер, [http://www.mathstat.dal.ca/~selinger/papers.html#qpl "На шляху до квантової мови програмування"] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20160430150448/http://www.mathstat.dal.ca/~selinger/papers.html#qpl |date=30 Квітня 2016 }}, Mathematical Structures in Computer Science(Математичні структури в інформатиці) 14(4):527-586, 2004.</ref> і [[Haskell (мова програмування)|Haskell-подібну]] мову QML, розроблену Алтенкірчом і Ґретажем.<ref name="qml1">{{Cite web |url=http://www.cs.nott.ac.uk/~jjg/qml.html |title=Джонатан Ґретаж Дослідження QBL |accessdate=16 Квітня 2016 |archive-date=31 Березня 2008 |archive-url=https://web.archive.org/web/20080331114452/http://www.cs.nott.ac.uk/~jjg/qml.html }}</ref><ref name="qml2">T. Altenkirch, V. Belavkin, J. Grattage, A. Green, A. Sabry, J. K. Vizzotto, [http://sneezy.cs.nott.ac.uk/qml QML: Функціональна мова програмування Quantum] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20060710201728/http://sneezy.cs.nott.ac.uk/QML/ |date=10 липня 2006 }}</ref> Квантові мови програмування високого рівня, засновані на [[лямбда-числення|лямбда-численні]], були запропоновані ван Тондером,<ref>Андре ван Тондер, [http://dx.doi.org/10.1137/S0097539703432165 "Лямбда-числення для квантових обчислень"], SIAM J. Comput., 33(5), 1109–1135. (27 стор.), 2004. Також доступна за посиланням [http://arxiv.org/abs/quant-ph/0307150 arXiv:quant-ph/0307150] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20151220213607/http://arxiv.org/abs/quant-ph/0307150 |date=20 Грудня 2015 }}</ref> Селінджером і Валіроном<ref>Peter Selinger and Benoît Valiron, [http://www.mathstat.dal.ca/~selinger/papers/#qlambda "A lambda calculus for quantum computation with classical control"] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20160422090527/http://www.mathstat.dal.ca/~selinger/papers/#qlambda |date=22 Квітня 2016 }}, Mathematical Structures in Computer Science 16(3):527-552, 2006.</ref> Аріґі і Довеком<ref>Pablo Arrighi, Gilles Dowek, [http://www.arxiv.org/abs/quant-ph/0612199 "Лінійно-алгебраїчне лямбда-числення. високий порядок, кодування і збіжність"] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20170319042619/https://arxiv.org/abs/quant-ph/0612199 |date=19 Березня 2017 }}, 2006</ref>.

Оглядова стаття Саймона Ґея<ref>{{Cite web |url=http://www.dcs.gla.ac.uk/~simon/quantum |title=Огляд квантових мов програмування |accessdate=16 Квітня 2016 |archive-date=22 Квітня 2016 |archive-url=https://web.archive.org/web/20160422080414/http://www.dcs.gla.ac.uk/~simon/quantum/ }}</ref> надає інформацію про стан досліджень і всеосяжну бібліографію ресурсів про квантове програмування станом на [[2007]] рік.

== Імперативні квантові мови програмування ==
=== Квантовий псевдокод ===
Квантовий псевдокод, запропонований Е. Кнілом, є першою формалізованою мовою для опису [[квантовий алгоритм|квантових алгоритмів]]. Він був введений, і, крім того, був тісно пов'язаний з моделлю квантової машини під назвою [[Квантовий комп'ютер|квантова машина з довільним доступом]]. Квантова машина з довільним доступом є віртуальною моделлю апаратних засобів для обчислень, і може  виявитися корисною для інтерпретації квантових мов програмування. Моделі таких машин дозволяють вільно чергувати унітарне перетворення і вимірювання за допомогою квантового пристрою під керуванням класичного комп'ютера.
Квантовий пристрій міститиме велике, але скінченне число індивідуально адресованих [[Кубіт|квантових бітів]], так само, як класичний чип пам'яті [[Оперативна пам'ять|RAM]] містить велику кількість бітів.
Обчисленнями управлятиме класичний комп'ютер посилаючи послідовність команд, що мають форму "застосувати" унітарне перетворення U до кубітів I і J або "виміряти" кубіт I. Квантовий пристрій виконує ці інструкції і надає доступ до результатів вимірювань.

=== Квантова мова обчислень ===
Квантова мова обчислень ({{lang-en|Quantum Computation Language}}) — одна з перших реалізованих квантових [[мова програмування|мов програмування]].<ref>{{Cite web |url=http://tph.tuwien.ac.at/~oemer/qcl.html |title=QCL |accessdate=16 Квітня 2016 |archive-date=8 Жовтня 2003 |archive-url=https://web.archive.org/web/20031008180632/http://tph.tuwien.ac.at/~oemer/qcl.html }}</ref> Її [[синтаксис]] нагадує синтаксис [[C (мова програмування)|мови програмування C]], а її класичні [[Тип даних|типи даних]] схожі на примітивні типи даних в C. Можна поєднувати класичний код і квантовий код в тій же програмі.

Базовим вбудованим квантовим типом даних в QCL є квантовий регістр куреґ ({{lang-en|qureg}}). Його можна інтерпретувати як масив [[кубіт]]ів (квантових бітів).

    qureg x1[2]; // 2-кубітний квантовий регістр x1
    qureg x2[2]; // 2-кубітний квантовий регістр x2
    H(x1); // Операція Адамара на x1
    H(x2[1]); // Операція Адамара на першому кубіті регістру x2

Оскільки інтерпретатор QCL використовує бібліотеку qlib для моделювання,  за внутрішнім станом квантової машини під час виконання квантової програми можна спостерігати.

    qcl> dump
    : STATE: 4 / 32 кубіт зайнято, 28 / 32 qubits вільно
    0.35355 |0> + 0.35355 |1> + 0.35355 |2> + 0.35355 |3>
    + 0.35355 |8> + 0.35355 |9> + 0.35355 |10> + 0.35355 |11>

Операція дампу відрізняється від вимірювання, оскільки вона не впливає на стан квантової машини і може бути реалізована тільки за допомогою імітатора.

Стандартна бібліотека QCL надає стандартні квантові оператори, які використовуються в квантових алгоритмах, такі як:

* Контрольоване "ні" з великою кількістю цільових кубітів,
* [[Квантовий вентиль|Операція Адамара]] на багатьох кубітах,
* Синтаксичний аналіз і контрольована фаза.

Найважливішою особливістю QCL є підтримка визначених користувачем операторів і функцій. Як і в сучасних мовах програмування, можна визначити нові операції, які можуть бути використані для маніпулювання квантовими даними. Наприклад:

    operator diffuse (qureg q) {
      H(q);                 // перетворення Адамара
      Not(q);               // інвертувати q
      CPhase(pi, q);        // Обертати якщо q=1111..
      !Not(q);              // скасувати інверсію
      !H(q);                // скасувати перетворення Адамара
    }

визначає оператор інверсії щодо середнього значення, що використовується в [[алгоритм Ґровера|алгоритмі Ґровера]]. Це дозволяє визначати алгоритми на вищому рівні абстракції і розширити бібліотеку функцій, доступних для програмістів.

==== Синтаксис ====
* Типи даних
** Квантові - qureg, quvoid, Const, quscratch, qucond
** Класичні - int (цілий), real (дійсний), complex (комплексний), boolean (логічний), string (рядковий), vector (масив-вектор), matrix (матриця), tensor (тензор)
* Типи функцій
** Куфункти - псевдо-класичні оператори. Можна тільки змінити перестановку базисних станів.
** Оператори - загальні унітарні оператори. Можна змінити амплітуду.
** Процедури - всередині цієї функції можна викликати вимірювання, вивід інформації та дамп (скидання). Процедури не є зворотними.
* Вбудовані функції
** Квантові
*** Куфункти - Fanout, Swap, Perm2, Perm4, Perm8, Not, CNot
*** Оператори - матриця 2х2, матриця 4x4, матриця 8x8, Rot, Mix, H, CPhase, SqrtNot, X, Y, Z, S, T
*** Процедури - вимірювання, дамп, скидання стану
** Класичні
*** Арифметика - sin (синус), cos (косинус), tan (тангенс), log (логарифм), sqrt (корінь квадратний), ...
*** Комплексні - Re (взяття дійсної частини), Im (взяття уявної частини), conj (операція [[Спряжені числа|спряження]]).

=== Мова Q ===
Мова Q <ref>{{Cite web |url=http://sra.itc.it/people/serafini/qlang/ |title=Мова Q |accessdate=16 квітня 2016 |archiveurl=https://web.archive.org/web/20090620011647/http://sra.itc.it/people/serafini/qlang/ |archivedate=20 червня 2009 |deadurl=yes }}</ref> — це друга реалізована імперативна квантова мова програмування.

Мова Q була реалізована як розширення мови програмування C++. Вона надає класи для основних квантових операцій, таких як QHadamard, QFourier, QNot і QSwap, які є похідними від базового класу QOP. Нові оператори можуть бути визначені за допомогою класового механізму C++.

Квантова пам'ять представлена класом Qreg.

    Qreg x1; // однокубітний квантовий регістр з початковим значенням 0
    Qreg x2(2,0); // двокубітний квантовий регістр з початковим значенням 0

Процес обчислення виконується за допомогою вбудованого імітатора. Дисперсне середовище може бути змодельоване з використанням параметрів імітатора.

=== Квантова Мова Обачних Команд ===
Квантова Мова Обачних Команд (qGCL, {{lang-en|Quantum Guarded Command Language}}) була означена П. Зуліані в його кандидатській дисертації.
Вона базується на {{нп|мова обачних команд|мові обачних команд||Guarded Command Language}}, створеній [[Едсгер Дейкстра|Едсґером Дейкстрою]].

Її можна охарактеризувати як «мову опису квантових програм».

=== Інші ===

У вересні 2017 року на конференції Ignite компанія [[Microsoft]] представила квантову мову програмування власної розробки. На той час мова не мала назви. Окрім мови програмування компанія запропонувала і дві версії симулятора квантового комп'ютера: один працюватиме на локальному комп'ютері, інший&nbsp;— в хмарі [[Microsoft Azure]]. Мова та симулятор будуть доступні в наступних випусках [[Microsoft Visual Studio]]<ref>{{cite web | url = https://fossbytes.com/microsoft-new-programming-language-for-quantum-computers/ | title = Microsoft Is Launching A New “Programming Language for Quantum Computers” | date = September 25, 2017 | publisher = FossBytes | accessdate = 27 Вересня 2017 | archive-date = 27 Вересня 2017 | archive-url = https://web.archive.org/web/20170927155910/https://fossbytes.com/microsoft-new-programming-language-for-quantum-computers/ }}</ref>.

== Функційні квантові мови програмування ==
За останні кілька років була запропонована низка квантових мов програмування на основі парадигми [[функційне програмування|функційного програмування]]. Функційні мови програмування добре підходять для доведення коректності програм.

=== QFC і QPL ===
QFC і QPL&nbsp;— дві тісно пов'язані квантові мови програмування означені Пітером Селінджером. Вони відрізняються лише в їхньому синтаксисі: QFC використовує синтаксис [[блок-схема|блок-схем]], в той час як QPL використовує текстовий синтаксис. Ці мови мають класичну систему керування, але можуть працювати на квантових або класичних даних. Селінджер дає [[Денотаційна семантика|денотаційну семантику]] для цих мов у категорії {{нп|супероператор|супероператорів||Superoperator}}.

=== QML ===
QML<ref>{{Cite web |url=http://sneezy.cs.nott.ac.uk/QML/ |title=QML |accessdate=16 квітня 2016 |archiveurl=https://web.archive.org/web/20070926230222/http://sneezy.cs.nott.ac.uk/QML/ |archivedate=26 вересня 2007 |deadurl=yes }}</ref>&nbsp;— це [[Haskell (мова програмування)|Haskell]]-подібна квантова мова програмування, створена Алтенкірчом і Ґретажом.<ref name="qml1"/> На відміну від мови Селінджера QPL ця мова виконує дублювання, а не викидання, квантової інформації як примітивну операцію. Під дублюванням у даному контексті розуміється операція, яка перетворює <math>|\phi\rangle</math> у <math>|\phi\rangle\otimes|\phi\rangle</math>, і її не слід плутати з неможливою операцією [[Теорема про заборону клонування|клонування]]; автори стверджують, що це схоже на те, як спільне використання моделюється в класичних мовах. QML також вводить як класичні, так і квантові оператори керування, тоді як більшість інших мов покладаються на класичне керування.

[[Операційна семантика]] для QML дається в термінах [[квантова схема|квантових схем]], тоді як [[денотаційна семантика]] представлена в термінах {{нп|супероператор|супероператорів||Superoperator}}. Доведено, що вони узгоджуються. Обидві операційні і денотаційні семантики були реалізовані (класично) на мові Haskell<ref>Джонатан Ґретаж ({{lang-en|Jonathan Grattage}}), [http://sneezy.cs.nott.ac.uk/qml/compiler QML: Компілятор функціональної квантової мови програмування&nbsp;— {{lang-en|A Functional Quantum Programming Language (compiler)}}] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20160305052237/http://sneezy.cs.nott.ac.uk/qml/compiler/ |date=5 березня 2016 }}, 2005—2008</ref>.

=== Квантові лямбда-числення ===
Квантові лямбда-числення є доповненням до класичного [[лямбда-числення]], введеним [[Алонзо Черч]]ом і [[Кліні]] в [[1930]]-х роках. Мета квантових лямбда-числень&nbsp;— розширення квантових мов програмування теорією [[Функція вищого порядку|функцій вищого порядку]].

Перша спроба визначити квантове лямбда-числення була зроблена Філіпом Мейміном у [[1996]] році<ref>Філіп Меймін ({{lang-en|Philip Maymin}}), [http://arxiv.org/abs/quant-ph/9612052 {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20170319035706/https://arxiv.org/abs/quant-ph/9612052 |date=19 березня 2017 }} {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20170319035706/https://arxiv.org/abs/quant-ph/9612052 |date=19 березня 2017 }} {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20170319035706/https://arxiv.org/abs/quant-ph/9612052 |date=19 Березня 2017 }} Розширення лямбда-числення для вираження рандомізованих і квантомізованих алгоритмів ({{lang-en|"Extending the Lambda Calculus to Express Randomized and Quantumized Algorithms"}})], 1996</ref>
Його лямбда-q-числення досить потужне, щоб виразити будь-які квантові обчислення. Проте, ця мова може ефективно розв'язувати [[NP-повна задача|NP-повні]] задачі, і, тому виглядає суворо строгішою, ніж стандартні квантові обчислювальні моделі (наприклад, [[Квантова машина Тюрінга|квантова машина Тюрінґа]] або модель [[квантова схема|квантових схем]]). Тому лямбда-q-числення Мейміна, швидше за все, неможливо буде реалізувати на фізичному пристрої.

У [[2003]] році Андре ван Тондер означив розширення [[лямбда-числення]], що підходить для доведення коректності квантових програм. Він також надав реалізацію на мові програмування [[Scheme]].<ref>{{cite web |author=André van Tonder |title=A lambda calculus for quantum computation (website) |url=http://www.het.brown.edu/people/andre/qlambda |accessdate=16 Квітня 2016 |archive-date=5 Березня 2016 |archive-url=https://web.archive.org/web/20160305100936/http://www.het.brown.edu/people/andre/qlambda/ }}</ref>


У [[2004]] році Селінджер і Валірон означили строго типізоване лямбда-числення для квантових обчислень із системою типів, заснованою на {{нп|лінійна логіка|лінійній логіці||Linear logic}}.

=== Quipper ===

Мова Quipper<ref>{{Cite web |url=http://www.mathstat.dal.ca/~selinger/quipper/ |title=Quipper |accessdate=16 Квітня 2016 |archive-date=30 Квітня 2016 |archive-url=https://web.archive.org/web/20160430224604/http://www.mathstat.dal.ca/~selinger/quipper/ }}</ref> була опублікована в [[2013]] році.<ref>{{cite web |author=Alexander S. Green, Peter LeFanu Lumsdaine, Neil J. Ross, Peter Selinger, Benoît Valiron |title=The Quipper Language (website) |url=http://www.mathstat.dal.ca/~selinger/quipper/ |accessdate=16 Квітня 2016 |archive-date=30 Квітня 2016 |archive-url=https://web.archive.org/web/20160430224604/http://www.mathstat.dal.ca/~selinger/quipper/ }}</ref> Її реалізовано у вигляді вбудованої мови, використовуючи [[Haskell (мова програмування)|Haskell]] як мову-господаря.<ref>{{cite web |author=Alexander S. Green, Peter LeFanu Lumsdaine, Neil J. Ross, Peter Selinger, Benoît Valiron |title=An Introduction to Quantum Programming in Quipper |url=http://arxiv.org/abs/1304.5485 |year=2013 |accessdate=16 Квітня 2016 |archive-date=15 Лютого 2017 |archive-url=https://web.archive.org/web/20170215140923/https://arxiv.org/abs/1304.5485 }}</ref> З цієї причини квантові програми, написані на Quipper, записуються в [[Haskell (мова програмування)|Haskell]], використовуючи надані бібліотеки. Наприклад, цей код реалізує підготовку суперпозиції

    import Quipper
    
    spos :: Bool -> Circ Qubit
    spos b = do
        q <- qinit b
        r <- hadamard q
        return r

== Квантові набори розробки програмного забезпечення ==

=== Qiskit ===
{{main|Qiskit}}
Проект з [[Відкритий код|відкритим кодом]], розроблений [[IBM]].<ref>{{cite web|url=https://qiskit.org/|title=Qiskit homepage|accessdate=15 Січня 2021|archive-date=21 Січня 2021|archive-url=https://web.archive.org/web/20210121024609/https://www.qiskit.org/}}</ref> Створення та маніпуляція квантовими схемами здійснюється за допомогою [[Python (мова програмування)| Python]], [[Swift (мова програмування)| Swift]] або  [[JavaScript]]. Результати отримують або за допомогою симуляторів, що працюють на власному пристрої користувача, симуляторів, що надаються IBM, або прототипів квантових пристроїв, що надаються IBM. Окрім можливості створювати програми з використанням базових квантових операцій, в пакеті Qiskit Aqua доступні алгоритми вищого рівня.<ref>{{cite web|url=https://qiskit.org/aqua|title=Qiskit Aqua homepage|access-date=2018-09-18|archive-url=https://web.archive.org/web/20191010224116/https://qiskit.org/Aqua|archive-date=2019-10-10|url-status=dead}}</ref> Qiskit базується на стандарті [[OpenQASM]] для представлення квантових ланцюгів і підтримуватиме контроль на рівні імпульсів квантових систем, як це визначено стандартом OpenPulse.<ref>{{cite arxiv|eprint=1809.03452|first16=Brent|first12=Michael|last13=Javadi-Abhari|first13=Ali|last14=Moreda|first14=Diego|last15=Nation|first15=Paul|last16=Paulovicks|last17=Winston|first11=Juan|first17=Erick|last18=Wood|first18=Christopher J.|last19=Wootton|first19=James|last20=Gambetta|first20=Jay M.|year=2018|last12=Hush|last11=Gomez|title=Qiskit Backend Specifications for OpenQASM and OpenPulse Experiments|last5=Bishop|last1=McKay|first1=David C.|last2=Alexander|first2=Thomas|last3=Bello|first3=Luciano|last4=Biercuk|first4=Michael J.|first5=Lev|first10=Stefan|last6=Chen|first6=Jiayin|last7=Chow|first7=Jerry M.|last8=Córcoles|first8=Antonio D.|last9=Egger|first9=Daniel|last10=Filipp|class=quant-ph}}</ref>

== Див також ==
* [[Алгоритми квантової оптимізації]]
* [[Квантове розповсюдження ключа]]
* [[Квантовий алгоритм]]
* [[Процесор Sycamore|Квантовий процесор]]

== Примітки ==
{{reflist|2}}

== Посилання ==
* [http://www.comlab.ox.ac.uk/people/bob.coecke/DCM_QPL_08.html 5-й Міжнародний семінар з квантової фізики і логіки] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20100920082924/http://www.comlab.ox.ac.uk/people/bob.coecke/DCM_QPL_08.html |date=20 Вересня 2010 }}
* [http://www.mathstat.dal.ca/~selinger/qpl2006/ 4-й Міжнародний семінар з квантової мов програмування] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20181122024549/https://www.mathstat.dal.ca/~selinger/qpl2006/ |date=22 Листопада 2018 }}
* [http://www.mathstat.dal.ca/~selinger/qpl2005/ 3-й Міжнародний семінар з квантової мов програмування] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20180910033934/https://www.mathstat.dal.ca/~selinger/qpl2005/ |date=10 Вересня 2018 }}
* [http://www.mathstat.dal.ca/~selinger/qpl2004/ 2-й Міжнародний семінар з квантової мов програмування] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20180910033254/https://www.mathstat.dal.ca/~selinger/qpl2004/ |date=10 Вересня 2018 }}
* [http://www.dcs.gla.ac.uk/~simon/quantum/ Бібліографія квантових мов програмування] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20200218004727/http://www.dcs.gla.ac.uk/~simon/quantum/ |date=18 Лютого 2020 }} (оновлено у травні 2007 року)
* [https://web.archive.org/web/20090412110119/http://www.quantiki.org/wiki/index.php/Quantum_Programming_Language Quantum programming language] на [http://www.quantiki.org/ Quantiki]

{{Compu-stub}}
{{Квантовий комп'ютер}}
{{Мови програмування}}
{{Перспективні технології|квантові=так|інше=так}}

{{ВП-портали|Програмування|Інформаційні технології|}}
[[Категорія:Класифікація мов програмування]]
[[Категорія:Квантова інформатика]]
[[Категорія:Парадигми програмування]]