Визуальный редактор квантовых алгоритмов — это язык программирования, позволяющий редактировать квантовые алгоритмы с применением высокоуровневых конструкций.
Общие сведения о квантовых вычислениях
Алгоритмом является формализованная очередность действий, предназначенная для решения какой-нибудь задачи. Типовые алгоритмы служат для решения задач с применением ресурсов классического компьютерного оборудования, то есть электронных вычислительных машин, для описания которых можно использовать классическую физику.
Передовые достижения в сфере управления определенными квантовыми объектами, а именно, атомами, ионами, фотонами (частицами света), электронами, предоставляют возможность создания приборов и устройств принципиально нового типа. При их работе и описании значительная роль отводится эффектам квантовой физики, не поддающимся описанию с позиций классической физики. Проектирование подобных устройств считается подразделом квантовых технологий.
Самым интенсивно развивающимся направлением квантовых технологий считается область квантовых вычислений. Идея заключается в том, что следует привлечь явления квантовой физики, для того чтобы ускорить решение вычислительных задач. Для квантовых вычислительных устройств следует, аналогично случаю классических вычислений, использовать понятие алгоритма.
Так как квантовые объекты должны находиться первоначально в определенном квантовом состоянии, а в ходе выполнения алгоритма квантовое состояние может трансформироваться в другое состояние, то квантовый алгоритм может быть охарактеризован как определенная очередность преобразований квантового состояния. Причем в итоге преобразований может получиться квантовое состояние, способное содержать в себе ответ, а именно, решение задачи.
Если измерить квантовое состояние, то можно извлечь данный ответ из квантовой системы. Так может выглядеть достаточно общее описание квантовых алгоритмов. Дальше все должно определяться тем обстоятельством, к какой именно модели квантовых вычислений планируется применять этот квантовый алгоритм.
Квантовые вычисления могут быть реализованы для различных физических систем, а именно, для ансамблей ультра холодных атомов и ионов, квантово-оптических систем, сверхпроводниковых цепочек и тому подобных. Следует подчеркнуть, что невзирая на тот факт, что теоретическая база квантовой теории информации является универсальной и может применяться к любым физическим реализациям, тем не менее, при конкретных реализациях могут возникнуть некоторые нюансы, связанные, к примеру, с ограничениями физической системы.
Визуальный редактор квантовых алгоритмов
Одним из базовых понятий классической теории вычислений считается машина Тьюринга, которая является моделью любого вычислительного устройства. При помощи концепции машины Тьюринга может быть формализовано понятие алгоритма. В восьмидесятые годы прошлого века возникла концепция квантовой машины Тьюринга как некоторое обобщение классической машины. Квантовая машина Тьюринга может помочь в формализации описания квантовых алгоритмов.
Сегодня самой исследованной и в определенной мере самой интуитивно понятной считается цифровая модель квантовых вычислений, которую также именуют вентильной. Цифровую модель квантовых вычислений можно рассматривать в качестве обобщения классической цифровой модели вычислений.
Корпорация Microsoft выполнила расширение набора инструментов Quantum Development Kit и реализовала код дополнений для редакторов Visual Studio и VS Code. Теперь в данных редакторах имеется возможность комфортного программирования на языке Q#, то есть, на языке для квантовых компьютеров.
Последняя версия Quantum Development Kit (QDK) имеет в своем составе все необходимое для начала разработки на Q#, а именно:
- инструмент командной строки;
- компилятор для уникального языка программирования;
- обработчик LanguageServer.
В набор включены дополнения для Visual Studio и VS Code. Если выполнить их загрузку и активацию, то разрабатывать и редактировать приложения для квантовых вычислений станет возможно непосредственно в популярных редакторах кода Microsoft. Первая версия QDK была выпущена в 2017-ом году. Использовать ее можно было только с Windows, но позже разработчики прибавили поддержку Linux и macOS.
Язык Q# является предметно-ориентированным языком программирования. Его создали специально для квантовых вычислений, и одним из первых применений Q# стало решение задачи скрытого шифра. Команды Q# позволяют выразить квантовые алгоритмы. Квантовые алгоритмы должны выполняться на квантовых компьютерах, которые существуют пока только как эксперименты, а Q# предоставляет возможность симуляции этих вычислений.
Симулятор вычислений на квантовом компьютере является основой QDK. То есть, Q# сделал квантовое программирование доступным для всех пользователей. Для того чтобы запустить квантовый симулятор в QDK, применяется .NET Framework. Он может передать классические входные данные и забрать из него итоговый результат (также в классическом формате).
Синтаксис Q# имеет схожесть с C# и F#. Для функций имеется ключевое слово function, а для операторов работы с кубитами слово operation. Причем многострочные комментарии формировать не разрешается, а вместо обработки ошибок необходимо пользоваться проверкой. Документацию кода можно выполнять в Markdown.
Квантовый алгоритм должен задавать последовательность гейтов или вентилей, являющихся унитарными операциями, которые необходимо осуществить над определенными кубитами.
Кубитом называется минимальная ячейка памяти квантового компьютера, то есть, это, по сути, бит, но только квантовый.
Кубит обладает двумя собственными состояниями, а именно, это нуль и единица, как и у традиционного бита. Имеется и третье состояние, которое является суперпозицией первых двух. Его можно выразить как А(0) + В(1), при этом А и В являются комплексными числами, а сумма их квадратов равняется единице.
