如何使用量子計(jì)算機(jī)匯編語(yǔ)言編程？

在沒(méi)有量子計(jì)算軟件和硬件的情況下，量子計(jì)算可以說(shuō)是并不完全成熟的計(jì)算。位于新墨西哥州阿爾伯克基的Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)開(kāi)源量子計(jì)算機(jī)項(xiàng)目旨在通過(guò)一種定制的量子計(jì)算匯編語(yǔ)言來(lái)解決這一問(wèn)題。

在接下來(lái)的幾年里，物理學(xué)家Susan Clark和她在Sandia的團(tuán)隊(duì)計(jì)劃使用他們從美國(guó)能源部獲得的2500萬(wàn)美元的5年期撥款，在他們的“QSCOUT”平臺(tái)上運(yùn)行世界各地的學(xué)術(shù)、商業(yè)和獨(dú)立研究人員提供的代碼，到 2023 年，該平臺(tái)將從現(xiàn)在的3個(gè)量子比特穩(wěn)步提升到32個(gè)量子比特。

QSCOUT代表了量子科學(xué)計(jì)算開(kāi)放用戶試驗(yàn)臺(tái)（Quantum Scientific Computing Open User Testbed），由懸浮在真空室內(nèi)的電離鐿原子組成。紫外激光的閃光使這些原子旋轉(zhuǎn)，通過(guò)執(zhí)行用該團(tuán)隊(duì)剛剛起步的量子匯編代碼編寫(xiě)的算法，他們將其命名為另一種量子匯編語(yǔ)言（Just Another Quantum Assembly Language）或JAQAL（事實(shí)上，他們已經(jīng)用小寫(xiě)字母“aqal” 注冊(cè)了 Jaqal 的商標(biāo)，因此所有后續(xù)引用都將使用該句柄）。

盡管Google、IBM和其他一些公司已經(jīng)制造了更大的量子機(jī)器，并生產(chǎn)了自己的編程語(yǔ)言，Clark說(shuō)QSCOUT為那些熱衷于探索計(jì)算機(jī)科學(xué)前沿的人帶來(lái)了一些好處。

就像谷歌和IBM機(jī)器上的那些超導(dǎo)門(mén)（Superconducting gates）一樣，它也很快速。但是它們也不穩(wěn)定，在不到一秒鐘的時(shí)間內(nèi)就失去相干性（coherence）和數(shù)據(jù)。

Clark說(shuō)，由于離子俘獲技術(shù)類似于IonQ公司開(kāi)發(fā)的技術(shù)，QSCOUT可以保持其計(jì)算的一致性——把它想象成一個(gè)計(jì)算的等價(jià)物，可以保持長(zhǎng)達(dá)10秒的思路?！斑@是目前最好的，”Clark 說(shuō)，“但我們的量子邏輯要慢一些?！?/p>

然而，QSCOUT的真正優(yōu)勢(shì)不在于性能，而是它賦予用戶控制計(jì)算機(jī)操作的能力，用戶可以隨心所欲地控制計(jì)算機(jī)的操作，甚至可以在計(jì)算機(jī)的基本指令集結(jié)構(gòu)中添加新的或修改過(guò)的操作。QSCOUT軟件團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人Andrew Landahl說(shuō)：“QSCOUT就像一個(gè)試驗(yàn)板，而公司提供的產(chǎn)品就像印刷電路?！?。

“我們的用戶是科學(xué)家，他們希望進(jìn)行控制實(shí)驗(yàn)。”他說(shuō)：“他們要求兩個(gè)量子邏輯門(mén)同時(shí)發(fā)生，商用系統(tǒng)往往會(huì)優(yōu)化用戶的程序來(lái)改善它們的性能?！盋lark 稱，“但他們不會(huì)給你太多的細(xì)節(jié)來(lái)告訴你幕后的情況?！痹谠缙冢绾巫詈玫靥幚碓胍?、數(shù)據(jù)持久性和可伸縮性等主要問(wèn)題仍然是個(gè)未知數(shù)，量子機(jī)器的角色就是按你的吩咐去做。

Landahl說(shuō)，為了實(shí)現(xiàn)精確性和靈活性的結(jié)合，他們創(chuàng)建了Jaqal，其中包括將離子初始化為量子位的命令，將它們單獨(dú)或共同旋轉(zhuǎn)到各種狀態(tài)，將它們纏繞成疊加，然后以輸出數(shù)據(jù)的形式讀取最終狀態(tài)。

任何 Jaqal 程序的第一行，例如：

from qscout.v1.std usepulses *

loads a gate pulse file that defines the standard operations （“gates，” in the lingo of quantum computing）。

這種方案可以輕松實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展性。Landahl 說(shuō)，下一個(gè)版本將增加新的指令來(lái)支持 10 個(gè)以上的量子比特，并增加新的功能。此外，他還說(shuō)，用戶甚至也可以編寫(xiě)自己的函數(shù)。

Clark說(shuō)，“愿望列表”中，一個(gè)在經(jīng)典計(jì)算中理應(yīng)具備的新特性是，能對(duì)進(jìn)行中的計(jì)算進(jìn)行局部測(cè)量，然后根據(jù)中間狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。在量子領(lǐng)域，由于量子比特的互連性（interconnectedness），這種局部測(cè)量方法很難實(shí)現(xiàn)，但實(shí)驗(yàn)人員已經(jīng)證明這可以做到。

實(shí)用程序?qū)⒘孔雍徒?jīng)典操作混合在一起，因此QSCOUT團(tuán)隊(duì)還在Github上發(fā)布了一個(gè)名為JaqalPaq的Python包，它提供了一個(gè)Jaqal模擬器以及將Jaqal代碼作為對(duì)象包含在一個(gè)更大的Python程序中的命令。

Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在首批 15 個(gè)申請(qǐng)者中接受了前 5 個(gè)項(xiàng)目提案，其中大部分將針對(duì)其他量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行各種基準(zhǔn)測(cè)試。但是，Clark說(shuō)：“其中一個(gè)小組（由印第安納大學(xué)布盧明頓分校的Phil Richerme領(lǐng)導(dǎo)）正在通過(guò)找到一個(gè)特定分子的基態(tài)來(lái)解決一個(gè)小的量子化學(xué)問(wèn)題?！?/p>

在團(tuán)隊(duì)將機(jī)器從3個(gè)量子比特升級(jí)到10個(gè)量子比特之后，Clark計(jì)劃在3月份邀請(qǐng)第二輪提案。

Jaqal 編程語(yǔ)言輸出“Hello World”

Landahl說(shuō)，一個(gè)最簡(jiǎn)單的non-trivial程序通常運(yùn)行在一臺(tái)新的量子計(jì)算機(jī)上，它是將兩個(gè)量子比特糾纏成一個(gè)所謂的Bell態(tài)的代碼，Bell態(tài)是經(jīng)典的0和1二元態(tài)的疊加。Jaqal文檔給出了一個(gè)15行程序的例子，該程序定義了兩個(gè)教科書(shū)操作，執(zhí)行這些指令來(lái)準(zhǔn)備一個(gè)Bell態(tài)，然后讀取兩個(gè)量子位的結(jié)果態(tài)的測(cè)量值。

但是，QSCOUT 作為一臺(tái)離子阱計(jì)算機(jī)，QSCOUT支持一個(gè)叫做M?lmer–S?rensen門(mén)的漂亮操作，它提供了一條捷徑。利用這一點(diǎn)，下面的6行程序可以完成相同的任務(wù)并重復(fù)1024次：

register q［2］ // Define a 2-qubit register

loop 1024 { // Sequential statements， repeated 1024x

prepare_all // Prepare each qubit in the |0? state

Sxx q［0］ q［1］ // Perform the M?lmer–S?rensen gate

measure_all // Measure each qubit and output results

}

原文標(biāo)題：量子比特編碼：如何用量子計(jì)算機(jī)匯編語(yǔ)言編程

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