作者丨Tamuz Danzig

譯者 | 布加迪

審校 | 重樓

出品 | 51CTO技術棧（微信號：blog51cto）

量子計算領域關注的焦點往往落在硬件上：量子比特和超導電路等。但現在是時候把我們的注意力轉移到幕后英雄量子軟件上，從將抽象的量子算法轉化為可執(zhí)行的代碼到優(yōu)化電路設計，量子軟件起到了舉足輕重的作用。

我們在本文中將探究量子編程的基礎，與經典計算進行比較，深入研究量子語言扮演的角色，并預測這項新興技術的變革性影響。歡迎閱讀這篇量子軟件初學指南，從此踏上通向量子計算核心的旅程。

1、量子編程與經典編程的主要差異

圖片

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

我們大多數人平常使用經典的計算機處理二進制數據。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，經典程序的核心是使用邏輯運算處理這些比特。

然而，量子計算機的功能截然不同。它們利用奇特的量子物理學，通過“量子比特”來處理信息。與比特不同，由于疊加這種現象，量子比特可以同時存在于多種狀態(tài)。此外，量子比特還可以糾纏，這意味著一個量子比特的狀態(tài)可以立即影響另一個量子比特的狀態(tài)，無論它們之間的距離有多遠。 

因此，為量子計算機編程需要一種新的方法、新的邏輯和一套全新的編程語言。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，利用量子物理學的特殊特性來解決復雜的問題。量子編程的魅力之處在于，它能夠編出疊加和糾纏之舞，以比經典計算快得多的速度獲得解決方案。

量子計算并不取代經典計算，而是補充經典計算，解決了目前因計算類型和復雜性而無法用經典計算機解決的問題。因此，量子軟件需要對經典計算原理和量子計算原理都有深刻的理解，才能有效地結合兩者之所長，應對各自的挑戰(zhàn)。

2、量子編程的構建模塊

圖片

量子編程需要一系列獨特的術語來描述量子程序的構建模塊。這些術語幫助我們描述和了解量子計算的多維世界。在這里，我們重點介紹其中的三個術語：量子門、量子電路和量子算法。

量子門：就像經典計算機使用邏輯門（與、或、非）一樣，量子計算機也使用量子門。但與經典門不同，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。 

圖片

量子電路：一連串排成序列的量子門形成一個量子電路。量子電路定義了量子比特為解決某個特定問題所經歷的轉換。由于量子物理學的性質，電路的行為本質上具有概率性。

圖片

量子算法：量子算法是旨在執(zhí)行某項特定任務或解決某個特定問題的量子電路序列，這就像指令序列構成經典算法一樣。一些流行的量子算法包括用于分解大數的Shor’s算法和用于搜索未排序數據庫的Grover’s算法。量子算法利用疊加和糾纏現象，在處理某些類型的問題時性能優(yōu)于經典算法。

在量子編程領域，我們實際上是設計一個編排好的序列，通過這些量子門來操縱量子比特，形成量子電路來執(zhí)行量子算法。這一切都是為了解決經典計算機所無法解決的問題。

圖片

3、量子編程領域

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

量子編程語言：就像經典計算有C++、Python和Java一樣，量子計算也形成了自己的一套語言。比如說，來自微軟的Q#和來自IBM的Qiskit是當今最流行的兩種量子編程語言。它們允許您定義和操縱量子狀態(tài)，運用量子門，并測量結果。

在這里我們可以看到qiskit代碼，它創(chuàng)建一個有兩個量子比特的量子寄存器，并對第一個量子比特運用了Hadamard門，對兩個量子比特運用了CNOT門。然后，代碼測量兩個量子比特。

圖片

軟件平臺：除了獨立的編程語言外，還有一些軟件平臺旨在幫助量子開發(fā)。比如說，我們在CLASSIQ的平臺提供了一種直觀、可視化的方式來設計量子電路和算法。正是借助這種高級抽象，量子開發(fā)人員、初學者和專家都能得以利用量子計算的強大功能，不會深陷門定義的低級細節(jié)中。

請記住，每種工具和語言都有其優(yōu)勢，選擇常常取決于您在處理的具體問題。關鍵在于為正確的工作選擇正確的工具，就像在經典計算領域一樣。

4、量子編程過程

雖然為量子計算機編程最初看起來令人生畏，但總體視角將任務簡化為一系列邏輯步驟。以下是總體過程的概述：

問題表述：量子編程的第一步是定義所要解決的問題。這可能是優(yōu)化金融投資組合、模擬化學反應或者破解加密代碼。明白不是所有的問題都適合量子解決方案這一點至關重要。一些任務由傳統(tǒng)計算機處理起來可能更有效。因此，選擇合適類型的問題是一個關鍵的決定。

算法選擇：一旦您定義了問題，下一步就是選擇一種可以解決問題的量子算法。量子算法越來越多，每一種都是為了解決特定類型的問題而設計的。一些算法非常適合優(yōu)化任務，另一些算法則為模擬或機器學習而設計。

具體實施：有了問題和算法，現在就可以開始實施了。這時候量子編程語言和平臺有了用武之地。您可以使用所選擇的語言或平臺將所選擇的算法翻譯成量子代碼。這通常是整個過程中最具技術含量的部分，它可能涉及復雜的任務，比如設計量子電路和管理量子狀態(tài)。

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

就像學習傳統(tǒng)意義上的編程一樣，精通量子編程的道路離不開實踐、耐心和強大的好奇心。

圖片

5、量子計算的未來

量子計算的影響很廣泛，且大有前途。隨著我們不斷改進利用和操縱量子現象的能力，我們將見證量子計算機解決一些世界上最復雜、目前無法解決的問題的方案。

多個行業(yè)迎來創(chuàng)新：量子計算有望徹底改變多個行業(yè)。比如說，制藥公司可以使用量子系統(tǒng)來模擬和分析復雜的分子結構，從而發(fā)現新的藥物。金融行業(yè)則可以利用量子算法進行更準確的風險評估、投資組合優(yōu)化和欺詐檢測。

提高數據安全性：量子計算機將來有可能破解當前的加密方法令人擔憂，但這也提供了一個機會。隨著我們在量子計算領域不斷進步，我們將同時開發(fā)抗量子加密技術，開辟一個數據安全的新時代。

科學發(fā)現：量子計算有望加快科學發(fā)現。在材料科學等領域，量子模擬有助于發(fā)現具有理想特性的新材料。在氣候科學中，它可以通過更好地為復雜系統(tǒng)建模來提供更準確的氣候預測。

雖然這些令人興奮的機會初露端倪，但重要的是要記住這點：量子計算之旅才剛剛開始。這是一個正有待我們去探索和創(chuàng)新的領域。

隨著我們從理論進入到實踐，從抽象進入到應用，量子編程將發(fā)揮越來越重要的作用。如果今天學習量子編程的原理，您不僅可以為量子驅動的未來做好準備，還可以積極地參與創(chuàng)造這個未來的工作。

參考鏈接：

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