Programación cuántica

Un proyecto de código abierto desarrollado por Google , que utiliza el lenguaje de programación Python para crear y manipular circuitos cuánticos. Los programas escritos en Cirq se pueden ejecutar en IonQ , Pasqal , ^{[ 13 ]} Rigetti y Alpine Quantum Technologies . ^{[ 14 ]}

Classiq, un entorno de desarrollo integrado (IDE) cuántico basado en la nube, utiliza Qmod , un lenguaje cuántico de alto nivel , para generar circuitos cuánticos escalables y eficientes mediante un motor de síntesis compatible con hardware, que puede implementarse en una amplia gama de unidades de procesamiento cuántico (QPU). La plataforma incluye una extensa biblioteca de algoritmos cuánticos.

Un proyecto de código abierto desarrollado por Rigetti , que utiliza el lenguaje de programación Python para crear y manipular circuitos cuánticos. Los resultados se obtienen mediante simuladores o prototipos de dispositivos cuánticos proporcionados por Rigetti. Además de la capacidad de crear programas con operaciones cuánticas básicas, el paquete Grove ofrece algoritmos de nivel superior. ^{[ 15 ]} Forest se basa en el conjunto de instrucciones Quil .

MindQuantum es un marco de computación cuántica basado en MindSpore , centrado en la implementación de algoritmos NISQ . ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]}

Conjunto de herramientas de código abierto desarrollado por D-Wave. Escrito principalmente en Python, permite a los usuarios formular problemas en formatos de modelo de Ising y optimización binaria cuadrática sin restricciones (QUBO). Los resultados se pueden obtener mediante el procesamiento en una computadora cuántica en línea a través de Leap, el entorno de aplicaciones cuánticas en tiempo real de D-Wave, máquinas propias del cliente o muestreadores clásicos.

Una biblioteca Python de código abierto desarrollada por Xanadu Quantum Technologies para la programación diferenciable de computadoras cuánticas. ^{[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]} PennyLane proporciona a los usuarios la capacidad de crear modelos usando TensorFlow , NumPy o PyTorch , y conectarlos con backends de computadoras cuánticas disponibles de IBMQ , Google Quantum , Rigetti , Quantinuum ^{[ 23 ]} y Alpine Quantum Technologies . ^{[ 14 ] [ 24 ]}

Un proyecto de código abierto creado por Quandela para diseñar circuitos cuánticos fotónicos y desarrollar algoritmos cuánticos, basado en Python . Las simulaciones se ejecutan tanto en el ordenador del usuario como en la nube . Perceval también se utiliza para conectarse al procesador cuántico fotónico basado en la nube de Quandela . ^{[ 25 ] [ 26 ]}

Un proyecto de código abierto desarrollado en el Instituto de Física Teórica de la ETH , que utiliza el lenguaje de programación Python para crear y manipular circuitos cuánticos. ^{[ 27 ]} Los resultados se obtienen mediante un simulador o enviando tareas a dispositivos cuánticos de IBM.

El SDK de qBraid es un marco de ejecución cuántica de código abierto e independiente de la plataforma, desarrollado por qBraid. Permite a los usuarios escribir programas cuánticos una sola vez y ejecutarlos en diversos hardware y simuladores cuánticos sin modificar el código. El SDK es compatible con múltiples bibliotecas de programación cuántica, como Qiskit, Cirq, PennyLane, PyQuil y Braket, entre otras. Incluye un transpilador basado en grafos que facilita la conversión entre diferentes tipos de programas cuánticos, permitiendo una interoperabilidad perfecta entre marcos de trabajo. El SDK también proporciona herramientas para el envío de trabajos, la recuperación de resultados y la visualización de circuitos. Está integrado con qBraid Lab, ofreciendo acceso a más de 20 dispositivos y simuladores cuánticos de proveedores como IonQ, Rigetti, QuEra e IQM. ^{[ 28 ] [ 29 ]}

Qibo es una API de pila completa de código abierto para simulación cuántica, control de hardware cuántico y calibración desarrollada por múltiples laboratorios de investigación, incluidos QRC , CQT e INFN . Qibo es un marco modular que incluye múltiples backends para simulación cuántica y control de hardware. ^{[ 30 ] [ 31 ]} Este proyecto tiene como objetivo proporcionar un marco de control de hardware cuántico independiente de la plataforma con controladores para múltiples instrumentos ^{[ 32 ]} y herramientas para calibración, caracterización y validación cuántica. ^{[ 33 ]} Este marco se centra en dispositivos cuánticos autoalojados al simplificar el desarrollo de software requerido en los laboratorios.

Un proyecto de código abierto desarrollado por IBM . ^{[ 34 ]} Los circuitos cuánticos se crean y manipulan usando Python. Los resultados se obtienen usando simuladores que se ejecutan en el dispositivo del usuario, simuladores proporcionados por IBM o prototipos de dispositivos cuánticos proporcionados por IBM. Además de la capacidad de crear programas usando operaciones cuánticas básicas, hay herramientas de nivel superior para algoritmos y evaluación comparativa disponibles dentro de paquetes especializados. ^{[ 35 ]} Qiskit se basa en el estándar OpenQASM para representar circuitos cuánticos. También admite el control de nivel de pulso de sistemas cuánticos a través del estándar QiskitPulse. ^{[ 36 ]}

Qrisp ^{[ 37 ]} es un proyecto de código abierto coordinado por la Fundación Eclipse ^{[ 38 ]} y desarrollado en Python por Fraunhofer FOKUS ^{[ 39 ].} Qrisp es un lenguaje de programación de alto nivel para crear y compilar algoritmos cuánticos. Su modelo de programación estructurada permite un desarrollo y mantenimiento escalables. La sintaxis expresiva se basa en variables en lugar de cúbits, con QuantumVariable como clase principal, y funciones en lugar de compuertas. Herramientas adicionales, como un simulador de alto rendimiento y la descomputación automática, complementan el extenso marco. Además, es independiente de la plataforma, ya que ofrece compilación alternativa de funciones elementales hasta el nivel de circuito, basada en conjuntos de compuertas específicos del dispositivo.

Un proyecto desarrollado por Microsoft ^{[ 40 ]} como parte del .NET Framework . Los programas cuánticos se pueden escribir y ejecutar dentro de Visual Studio y VSCode utilizando el lenguaje de programación cuántica Q#. Los programas desarrollados en el QDK se pueden ejecutar en Azure Quantum ^de Microsoft [ ^{41 ]} y en computadoras cuánticas de Quantinuum ^{[ 23 ]} , IonQ y Pasqal ^{[ 13 ]} .

Una biblioteca de Python de código abierto desarrollada por Xanadu Quantum Technologies para el diseño, simulación y optimización de circuitos ópticos cuánticos de variable continua (CV) . ^{[ 42 ] [ 43 ]} Se proporcionan tres simuladores: uno en la base de Fock , uno que utiliza la formulación gaussiana de la óptica cuántica, ^{[ 44 ]} y uno que utiliza la biblioteca de aprendizaje automático TensorFlow . Strawberry Fields es también la biblioteca para ejecutar programas en el hardware fotónico cuántico de Xanadu. ^{[ 45 ] [ 46 ]}

Un entorno de programación cuántica y un compilador optimizador desarrollado por Quantinuum que apunta a simuladores y varios backends de hardware cuántico de iones atrapados, lanzado en diciembre de 2018. ^{[ 47 ]}

Un paquete adicional de Wolfram Language que proporciona una representación simbólica de alto nivel para objetos cuánticos como bases, estados, operadores, canales, mediciones y circuitos, integrado con Mathematica . ^{[ 48 ]} El marco incluye herramientas para simulación y análisis, como evolución temporal, simulación de mediciones, monótonos de entrelazamiento, traza parcial/transposición, transformadas discretas de Wigner, métodos estabilizadores y utilidades de redes tensoriales, así como una biblioteca de construcciones con nombre (por ejemplo, estados de Bell/GHZ, operadores de Pauli , Fourier, Grover, etc.). ^{[ 48 ]} Ofrece visualización integrada (por ejemplo, diagramas de circuitos y gráficos de esfera de Bloch) e interoperabilidad con plataformas externas, incluyendo la conversión a formatos Qiskit y Amazon Braket y la capacidad de enviar consultas a unidades de procesamiento cuántico (QPU) a través de conexiones de servicio.

Ket ^{[ 52 ]} es un lenguaje embebido de código abierto diseñado para facilitar la programación cuántica, aprovechando la sintaxis familiar y la simplicidad de Python. Sirve como componente integral de la Plataforma de Programación Cuántica Ket ^{[ 53 ]} , integrándose a la perfección con una biblioteca de tiempo de ejecución de Rust y un simulador cuántico. Mantenido por Quantuloop, el proyecto hace hincapié en la accesibilidad y la versatilidad para investigadores y desarrolladores. El siguiente ejemplo demuestra la implementación de un estado de Bell usando Ket:

de ket importar *a , b = quant ( 2 ) # Asignar dos bits cuánticosH ( a ) # Coloca el cúbit `a` en una superposicióncnot ( a , b ) # Entrelaza los dos cúbits en el estado de Bellm_a = measure ( a ) # Medir el cúbit `a`, colapsando también el cúbit `b`.m_b = measure ( b ) # Medir el cúbit `b`# Afirmar que la medida de ambos cúbits siempre será igual.afirmar m_a . valor == m_b . valor

La lógica de programas cuánticos (LQP) es una lógica cuántica dinámica, capaz de expresar características importantes de las mediciones cuánticas y las evoluciones unitarias de estados multipartitos, y proporciona caracterizaciones lógicas de diversas formas de entrelazamiento. Esta lógica se ha utilizado para especificar y verificar la corrección de varios protocolos en computación cuántica. ^{[ 54 ] [ 55 ]}

El lenguaje Q es el segundo lenguaje de programación cuántica imperativo implementado. ^{[ 56 ]} El lenguaje Q se implementó como una extensión del lenguaje de programación C++ . Proporciona clases para operaciones cuánticas básicas como QHadamard, QFourier, QNot y QSwap, que derivan de la clase base Qop. Se pueden definir nuevos operadores utilizando el mecanismo de clases de C++.

La memoria cuántica está representada por la clase Qreg.

Qreg x1 ; // Registro cuántico de 1 qubit con valor inicial 0 Qreg x2 ( 2 , 0 ); // Registro cuántico de 2 qubits con valor inicial 0

El proceso de cálculo se ejecuta mediante un simulador proporcionado. Se pueden simular entornos ruidosos utilizando los parámetros del simulador.

Un lenguaje desarrollado por Microsoft para ser utilizado con el Kit de Desarrollo Cuántico . ^{[ 57 ]}

El lenguaje de computación cuántica (QCL) es uno de los primeros lenguajes de programación cuántica implementados . ^{[ 58 ]} La característica más importante de QCL es la compatibilidad con operadores y funciones definidos por el usuario. Su sintaxis se asemeja a la del lenguaje de programación C y sus tipos de datos clásicos son similares a los tipos de datos primitivos de C. Es posible combinar código clásico y código cuántico en un mismo programa.

El lenguaje de comandos cuánticos protegidos (qGCL) fue definido por P. Zuliani en su tesis doctoral. Se basa en el lenguaje de comandos protegidos creado por Edsger Dijkstra .

Se puede describir como un lenguaje de especificación de programas cuánticos.

El Ensamblador Macro Cuántico (QMASM) es un lenguaje de bajo nivel específico para recocedores cuánticos como el D-Wave. ^{[ 59 ]}

El lenguaje de modelado cuántico (Qmod) es un lenguaje de alto nivel que abstrae las operaciones de cúbits a nivel de compuertas, proporcionando un enfoque funcional para la implementación de algoritmos cuánticos en registros cuánticos. El lenguaje forma parte de la plataforma Classiq y puede utilizarse directamente con su sintaxis nativa, mediante un SDK de Python o con un editor visual. Todos los métodos aprovechan la amplia biblioteca de algoritmos y la eficiente optimización de circuitos.

Q|SI> es una plataforma integrada en el lenguaje .Net que admite programación cuántica en una extensión cuántica del lenguaje while. ^{[ 51 ] [ 60 ]} Esta plataforma incluye un compilador del lenguaje while cuántico ^{[ 61 ]} y una cadena de herramientas para la simulación de computación cuántica, optimización de circuitos cuánticos, análisis de terminación de programas cuánticos, ^{[ 62 ]} y verificación de programas cuánticos. ^{[ 63 ] [ 64 ]}

El pseudocódigo cuántico propuesto por E. Knill es el primer lenguaje formalizado para la descripción de algoritmos cuánticos . Fue introducido y, además, se vinculó estrechamente con un modelo de máquina cuántica llamado Máquina de Acceso Aleatorio Cuántico (QRAM).

Scaffold es un lenguaje similar a C que se compila a QASM y OpenQASM. Está construido sobre la infraestructura del compilador LLVM para realizar optimizaciones en el código Scaffold antes de generar un conjunto de instrucciones específico. ^{[ 65 ] [ 66 ]}

Silq es un lenguaje de programación de alto nivel para computación cuántica con un sistema de tipos estático fuerte, desarrollado en ETH Zúrich . ^{[ 67 ] [ 68 ]}

LIQUi|> (pronunciado liquid ) es una extensión de simulación cuántica para el lenguaje de programación F# . ^{[ 75 ]} Actualmente está siendo desarrollada por el Grupo de Arquitecturas y Computación Cuántica (QuArC) ^{[ 76 ]} como parte de los esfuerzos de StationQ en Microsoft Research. LIQUi|> busca permitir a los teóricos experimentar con el diseño de algoritmos cuánticos antes de que las computadoras cuánticas físicas estén disponibles para su uso. ^{[ 77 ]}

Incluye un lenguaje de programación, algoritmos de optimización y planificación, y simuladores cuánticos. LIQUi|> puede utilizarse para traducir un algoritmo cuántico escrito en forma de programa de alto nivel a instrucciones de máquina de bajo nivel para un dispositivo cuántico. ^{[ 78 ]}

QFC y QPL son dos lenguajes de programación cuántica estrechamente relacionados, definidos por Peter Selinger. Se diferencian únicamente en su sintaxis: QFC utiliza una sintaxis de diagrama de flujo, mientras que QPL utiliza una sintaxis textual. Estos lenguajes poseen un flujo de control clásico, pero pueden operar con datos cuánticos o clásicos. Selinger proporciona una semántica denotacional para estos lenguajes en una categoría de superoperadores .

QML es un lenguaje de programación cuántica similar a Haskell , creado por Altenkirch y Grattage. ^{[ 79 ] [ 70 ]} A diferencia del QPL de Selinger, este lenguaje toma la duplicación, en lugar del descarte, de información cuántica como una operación primitiva. La duplicación en este contexto se entiende como la operación que mapea${\displaystyle |\phi \rangle }$a${\displaystyle |\phi \rangle \otimes |\phi \rangle }$y no debe confundirse con la operación imposible de clonación ; los autores afirman que es similar a cómo se modela el intercambio en los lenguajes clásicos. QML también introduce operadores de control tanto clásicos como cuánticos, mientras que la mayoría de los demás lenguajes se basan en el control clásico.

Se presenta una semántica operacional para QML en términos de circuitos cuánticos , mientras que se presenta una semántica denotacional en términos de superoperadores , y se demuestra que coinciden. Tanto la semántica operacional como la denotacional se han implementado (clásicamente) en Haskell. ^{[ 80 ]}

Los cálculos lambda cuánticos son extensiones del cálculo lambda clásico introducido por Alonzo Church y Stephen Cole Kleene en la década de 1930. El objetivo de los cálculos lambda cuánticos es extender los lenguajes de programación cuántica con una teoría de funciones de orden superior .

El primer intento de definir un cálculo lambda cuántico fue realizado por Philip Maymin en 1996. ^{[ 81 ]} Su cálculo lambda-q es lo suficientemente potente como para expresar cualquier computación cuántica. Sin embargo, este lenguaje puede resolver eficientemente problemas NP-completos y, por lo tanto, parece ser estrictamente más robusto que los modelos de computación cuántica estándar (como la máquina de Turing cuántica o el modelo de circuito cuántico ). Por consiguiente, es probable que el cálculo lambda-q de Maymin no sea implementable en un dispositivo físico.

En 2003, André van Tonder definió una extensión del cálculo lambda adecuada para demostrar la corrección de programas cuánticos. También proporcionó una implementación en el lenguaje de programación Scheme . ^{[ 82 ]}

En 2004, Selinger y Valiron definieron un cálculo lambda fuertemente tipado para computación cuántica con un sistema de tipos basado en lógica lineal . ^{[ 83 ]}

Quipper se publicó en 2013. ^{[ 84 ] [ 85 ]} Está implementado como un lenguaje embebido, utilizando Haskell como lenguaje anfitrión. ^{[ 86 ]} Por esta razón, los programas cuánticos escritos en Quipper se escriben en Haskell utilizando las bibliotecas proporcionadas. Por ejemplo, el siguiente código implementa la preparación de una superposición.

Importar Quipperspos :: Bool -> Circ Qubit spos b = do q <- qinit b r <- hadamard q return r