В новом руководстве по программированию квантовых алгоритмов программисты проходят все этапы — от теории до реализации алгоритмов на общедоступном 5-кубитном квантовом компьютере IBM ibmqx4 и других.
В руководстве рассматриваются основы программирования, приводится краткое описание основных квантовых алгоритмов и инструкции по их реализации на общедоступных квантовых компьютерах.
По мере того как квантовые компьютеры становятся все более доступными, начинающие квантовые программисты ломают голову над тем, как начать работать в этой области. Новое руководство для начинающих предлагает полное введение в квантовые алгоритмы и их реализацию на существующем оборудовании.
«Написание квантовых алгоритмов радикально отличается от написания программ для классических вычислений и требует определенного понимания квантовых принципов и математики, лежащей в их основе», — сказал Андрей Ю. Лохов, ученый из Лос-Аламосской национальной лаборатории и ведущий автор руководства, недавно опубликованного в журнале ACM Transactions on Quantum Computing. «Наше руководство поможет квантовым программистам начать работу в этой области, которая будет расширяться по мере того, как все больше и больше квантовых компьютеров с все большим количеством кубитов будут становиться обычным явлением».
В книге в кратких, самостоятельных частях рассматриваются 20 квантовых алгоритмов, в том числе такие известные, фундаментальные квантовые алгоритмы, как алгоритм Гровера для поиска в базах данных и многое другое, а также алгоритм Шора для факторизации целых чисел. Затем в учебнике рассказывается о том, как реализовать эти алгоритмы на нескольких квантовых компьютерах, включая общедоступный 5-квантовый компьютер IBMQX4 компании IBM, что позволяет установить связь с реальным миром. В каждом случае авторы разбирают результаты реализации и поясняют различия между симулятором и реальными аппаратными запусками.
«Эта статья стала результатом оперативной работы Института информационных наук и технологий в Лос-Аламосе, где около 20 сотрудников Лаборатории самостоятельно выбрали для изучения и реализации стандартного квантового алгоритма на квантовой системе IBM Q, — сказал Стефан Эйденбенц, старший научный сотрудник по квантовым вычислениям в Лос-Аламосе, соавтор статьи и директор ISTI на момент начала работы над ней.
По словам Эйденбенца, целью программы было обучение сотрудников, практически не имеющих подготовки в области квантовых вычислений, реализации квантового алгоритма на реальном квантовом компьютере, чтобы подготовить персонал Лос-Аламоса к квантовой эре.
По словам Эйденбенца, эти сотрудники, а также несколько студентов и признанных экспертов в области квантовых технологий, составляют длинный список авторов этой обзорной статьи, написанной «на общественных началах» и уже получившей большое количество ссылок.
Прежде чем перейти к более сложным темам унитарных преобразований и вентилей, квантовых схем и квантовых алгоритмов, в первом разделе руководства объясняются основы программирования квантового компьютера, включая кубиты и системы кубитов, суперпозицию, запутанность и квантовые измерения.
В разделе, посвященном квантовому компьютеру IBM, рассматривается набор вентилей, доступных для алгоритмов, реально реализованные физические вентили, способы соединения кубитов и источники шума, или ошибок.
В другом разделе рассматриваются различные типы квантовых алгоритмов. Далее в руководстве рассматриваются 20 выбранных алгоритмов с постановкой задачи, описанием и шагами по реализации каждого из них на IBM или, в некоторых случаях, на других компьютерах.
Обширные ссылки в конце руководства помогут заинтересованным читателям углубиться в изучение квантовых алгоритмов.
Исследование было профинансировано Институтом информационных наук и технологий Лос-Аламосской национальной лаборатории в рамках программы направленных исследований и разработок.
Ссылки: «Реализация квантовых алгоритмов для начинающих», автор Abhijith J, Adetokunbo Adedoyin, John Ambrosiano, Petr Anisimov, William Casper, Gopinath Chennupati, Carleton Coffrin, Hristo Djidjev, David Gunter, Satish Karra, Nathan Lemons, Shizeng Lin, Alexander Malyzhenkov, David Mascarenas, Susan Mniszewski, Balu Nadiga, Daniel O’malley, Diane Oyen, Scott Pakin, Lakshman Prasad, Randy Roberts, Phillip Romero, Nandakishore Santhi, Nikolai Sinitsyn, Pieter J. Swart, James G. Wendelberger, Boram Yoon, Richard Zamora, Wei Zhu, Stephan Eidenbenz, Andreas Bärtschi, Patrick J. Coles, Marc Vuffray and Andrey Y. Lokhov, 7 июля 2022 г., ACM Transactions on Quantum Computing. DOI: 10.1145/3517340
