作者丨Tamuz Danzig

譯者 | 布加迪

審校 | 重樓

出品 | 51CTO技術(shù)棧（微信號(hào)：blog51cto）

量子計(jì)算領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)往往落在硬件上：量子比特和超導(dǎo)電路等。但現(xiàn)在是時(shí)候把我們的注意力轉(zhuǎn)移到幕后英雄量子軟件上，從將抽象的量子算法轉(zhuǎn)化為可執(zhí)行的代碼到優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，量子軟件起到了舉足輕重的作用。

我們?cè)诒疚闹袑⑻骄苛孔泳幊痰幕A(chǔ)，與經(jīng)典計(jì)算進(jìn)行比較，深入研究量子語(yǔ)言扮演的角色，并預(yù)測(cè)這項(xiàng)新興技術(shù)的變革性影響。歡迎閱讀這篇量子軟件初學(xué)指南，從此踏上通向量子計(jì)算核心的旅程。

1、量子編程與經(jīng)典編程的主要差異

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從本質(zhì)上講，量子計(jì)算世界與經(jīng)典計(jì)算世界形成了鮮明的對(duì)比。兩者的區(qū)別不僅限于硬件，還延伸到了編程的核心。不妨闡述這兩大計(jì)算領(lǐng)域的幾個(gè)主要區(qū)別。

我們大多數(shù)人平常使用經(jīng)典的計(jì)算機(jī)處理二進(jìn)制數(shù)據(jù)。這意味著它們以比特的形式處理信息，比特要么處于0狀態(tài)，要么處于1狀態(tài)。因此，經(jīng)典程序的核心是使用邏輯運(yùn)算處理這些比特。

然而，量子計(jì)算機(jī)的功能截然不同。它們利用奇特的量子物理學(xué)，通過(guò)“量子比特”來(lái)處理信息。與比特不同，由于疊加這種現(xiàn)象，量子比特可以同時(shí)存在于多種狀態(tài)。此外，量子比特還可以糾纏，這意味著一個(gè)量子比特的狀態(tài)可以立即影響另一個(gè)量子比特的狀態(tài)，無(wú)論它們之間的距離有多遠(yuǎn)。 

因此，為量子計(jì)算機(jī)編程需要一種新的方法、新的邏輯和一套全新的編程語(yǔ)言。量子軟件開發(fā)人員不僅僅指令一系列操作，他們還編排量子比特之舞，利用量子物理學(xué)的特殊特性來(lái)解決復(fù)雜的問(wèn)題。量子編程的魅力之處在于，它能夠編出疊加和糾纏之舞，以比經(jīng)典計(jì)算快得多的速度獲得解決方案。

量子計(jì)算并不取代經(jīng)典計(jì)算，而是補(bǔ)充經(jīng)典計(jì)算，解決了目前因計(jì)算類型和復(fù)雜性而無(wú)法用經(jīng)典計(jì)算機(jī)解決的問(wèn)題。因此，量子軟件需要對(duì)經(jīng)典計(jì)算原理和量子計(jì)算原理都有深刻的理解，才能有效地結(jié)合兩者之所長(zhǎng)，應(yīng)對(duì)各自的挑戰(zhàn)。

2、量子編程的構(gòu)建模塊

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量子編程需要一系列獨(dú)特的術(shù)語(yǔ)來(lái)描述量子程序的構(gòu)建模塊。這些術(shù)語(yǔ)幫助我們描述和了解量子計(jì)算的多維世界。在這里，我們重點(diǎn)介紹其中的三個(gè)術(shù)語(yǔ)：量子門、量子電路和量子算法。

量子門：就像經(jīng)典計(jì)算機(jī)使用邏輯門（與、或、非）一樣，量子計(jì)算機(jī)也使用量子門。但與經(jīng)典門不同，量子門是可逆的處理概率。它們操縱量子比特的狀態(tài)以執(zhí)行量子操作。一些例子包括Pauli-X、Pauli-Y、Pauli-Z、Hadamard和CNOT門。 

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量子電路：一連串排成序列的量子門形成一個(gè)量子電路。量子電路定義了量子比特為解決某個(gè)特定問(wèn)題所經(jīng)歷的轉(zhuǎn)換。由于量子物理學(xué)的性質(zhì)，電路的行為本質(zhì)上具有概率性。

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量子算法：量子算法是旨在執(zhí)行某項(xiàng)特定任務(wù)或解決某個(gè)特定問(wèn)題的量子電路序列，這就像指令序列構(gòu)成經(jīng)典算法一樣。一些流行的量子算法包括用于分解大數(shù)的Shor’s算法和用于搜索未排序數(shù)據(jù)庫(kù)的Grover’s算法。量子算法利用疊加和糾纏現(xiàn)象，在處理某些類型的問(wèn)題時(shí)性能優(yōu)于經(jīng)典算法。

在量子編程領(lǐng)域，我們實(shí)際上是設(shè)計(jì)一個(gè)編排好的序列，通過(guò)這些量子門來(lái)操縱量子比特，形成量子電路來(lái)執(zhí)行量子算法。這一切都是為了解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)所無(wú)法解決的問(wèn)題。

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3、量子編程領(lǐng)域

量子編程世界與它旨在解決的一系列問(wèn)題一樣具有多樣化。已涌現(xiàn)出了各種量子編程語(yǔ)言和軟件平臺(tái)，以滿足不同的需求，每種語(yǔ)言和軟件都有其獨(dú)特的方法和優(yōu)勢(shì)。下面介紹這個(gè)廣泛的領(lǐng)域。

量子編程語(yǔ)言：就像經(jīng)典計(jì)算有C++、Python和Java一樣，量子計(jì)算也形成了自己的一套語(yǔ)言。比如說(shuō)，來(lái)自微軟的Q#和來(lái)自IBM的Qiskit是當(dāng)今最流行的兩種量子編程語(yǔ)言。它們?cè)试S您定義和操縱量子狀態(tài)，運(yùn)用量子門，并測(cè)量結(jié)果。

在這里我們可以看到qiskit代碼，它創(chuàng)建一個(gè)有兩個(gè)量子比特的量子寄存器，并對(duì)第一個(gè)量子比特運(yùn)用了Hadamard門，對(duì)兩個(gè)量子比特運(yùn)用了CNOT門。然后，代碼測(cè)量?jī)蓚€(gè)量子比特。

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軟件平臺(tái)：除了獨(dú)立的編程語(yǔ)言外，還有一些軟件平臺(tái)旨在幫助量子開發(fā)。比如說(shuō)，我們?cè)贑LASSIQ的平臺(tái)提供了一種直觀、可視化的方式來(lái)設(shè)計(jì)量子電路和算法。正是借助這種高級(jí)抽象，量子開發(fā)人員、初學(xué)者和專家都能得以利用量子計(jì)算的強(qiáng)大功能，不會(huì)深陷門定義的低級(jí)細(xì)節(jié)中。

請(qǐng)記住，每種工具和語(yǔ)言都有其優(yōu)勢(shì)，選擇常常取決于您在處理的具體問(wèn)題。關(guān)鍵在于為正確的工作選擇正確的工具，就像在經(jīng)典計(jì)算領(lǐng)域一樣。

4、量子編程過(guò)程

雖然為量子計(jì)算機(jī)編程最初看起來(lái)令人生畏，但總體視角將任務(wù)簡(jiǎn)化為一系列邏輯步驟。以下是總體過(guò)程的概述：

問(wèn)題表述：量子編程的第一步是定義所要解決的問(wèn)題。這可能是優(yōu)化金融投資組合、模擬化學(xué)反應(yīng)或者破解加密代碼。明白不是所有的問(wèn)題都適合量子解決方案這一點(diǎn)至關(guān)重要。一些任務(wù)由傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)處理起來(lái)可能更有效。因此，選擇合適類型的問(wèn)題是一個(gè)關(guān)鍵的決定。

算法選擇：一旦您定義了問(wèn)題，下一步就是選擇一種可以解決問(wèn)題的量子算法。量子算法越來(lái)越多，每一種都是為了解決特定類型的問(wèn)題而設(shè)計(jì)的。一些算法非常適合優(yōu)化任務(wù)，另一些算法則為模擬或機(jī)器學(xué)習(xí)而設(shè)計(jì)。

具體實(shí)施：有了問(wèn)題和算法，現(xiàn)在就可以開始實(shí)施了。這時(shí)候量子編程語(yǔ)言和平臺(tái)有了用武之地。您可以使用所選擇的語(yǔ)言或平臺(tái)將所選擇的算法翻譯成量子代碼。這通常是整個(gè)過(guò)程中最具技術(shù)含量的部分，它可能涉及復(fù)雜的任務(wù)，比如設(shè)計(jì)量子電路和管理量子狀態(tài)。

執(zhí)行和分析：最后，在量子計(jì)算機(jī)或模擬器上執(zhí)行量子程序并分析結(jié)果。由于量子計(jì)算具有概率性，您可能需要多次運(yùn)行程序才能獲得統(tǒng)計(jì)上顯著的結(jié)果。分析常常需要在結(jié)合原始問(wèn)題的背景下解釋量子結(jié)果。

就像學(xué)習(xí)傳統(tǒng)意義上的編程一樣，精通量子編程的道路離不開實(shí)踐、耐心和強(qiáng)大的好奇心。

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5、量子計(jì)算的未來(lái)

量子計(jì)算的影響很廣泛，且大有前途。隨著我們不斷改進(jìn)利用和操縱量子現(xiàn)象的能力，我們將見證量子計(jì)算機(jī)解決一些世界上最復(fù)雜、目前無(wú)法解決的問(wèn)題的方案。

多個(gè)行業(yè)迎來(lái)創(chuàng)新：量子計(jì)算有望徹底改變多個(gè)行業(yè)。比如說(shuō)，制藥公司可以使用量子系統(tǒng)來(lái)模擬和分析復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)，從而發(fā)現(xiàn)新的藥物。金融行業(yè)則可以利用量子算法進(jìn)行更準(zhǔn)確的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、投資組合優(yōu)化和欺詐檢測(cè)。

提高數(shù)據(jù)安全性：量子計(jì)算機(jī)將來(lái)有可能破解當(dāng)前的加密方法令人擔(dān)憂，但這也提供了一個(gè)機(jī)會(huì)。隨著我們?cè)诹孔佑?jì)算領(lǐng)域不斷進(jìn)步，我們將同時(shí)開發(fā)抗量子加密技術(shù)，開辟一個(gè)數(shù)據(jù)安全的新時(shí)代。

科學(xué)發(fā)現(xiàn)：量子計(jì)算有望加快科學(xué)發(fā)現(xiàn)。在材料科學(xué)等領(lǐng)域，量子模擬有助于發(fā)現(xiàn)具有理想特性的新材料。在氣候科學(xué)中，它可以通過(guò)更好地為復(fù)雜系統(tǒng)建模來(lái)提供更準(zhǔn)確的氣候預(yù)測(cè)。

雖然這些令人興奮的機(jī)會(huì)初露端倪，但重要的是要記住這點(diǎn)：量子計(jì)算之旅才剛剛開始。這是一個(gè)正有待我們?nèi)ヌ剿骱蛣?chuàng)新的領(lǐng)域。

隨著我們從理論進(jìn)入到實(shí)踐，從抽象進(jìn)入到應(yīng)用，量子編程將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。如果今天學(xué)習(xí)量子編程的原理，您不僅可以為量子驅(qū)動(dòng)的未來(lái)做好準(zhǔn)備，還可以積極地參與創(chuàng)造這個(gè)未來(lái)的工作。

參考鏈接：

https://sdtimes.com/softwaredev/mastering-the-quantum-code-a-primer-on-quantum-software/