量子計(jì)算機(jī)有望將功耗從100倍降低到1000倍，因?yàn)樗鼈冞m宜在超低溫度下運(yùn)行，在該溫度下，處理器將作為超導(dǎo)體工作（即它可以在幾乎沒(méi)有電阻的情況下導(dǎo)電）。另一方面，量子計(jì)算機(jī)可以加速機(jī)器學(xué)習(xí)過(guò)程，將數(shù)千年的學(xué)習(xí)時(shí)間減少到幾秒鐘?；趦蓚€(gè)可能值0或1的量子比特（Qubits），量子計(jì)算機(jī)雖然不遵守牛頓定律，但是量子定律允許它們具有同時(shí)出現(xiàn)0和1的概率。

由于量子計(jì)算機(jī) (QC) 蘊(yùn)藏著巨大的商業(yè)潛力，谷歌和IBM等科技巨頭正在為沒(méi)有QC的用戶提供學(xué)習(xí)如何使用不同量子編程語(yǔ)言編程和操作量子電路的機(jī)會(huì)：

量子編程語(yǔ)言

量子編程語(yǔ)言是將想法落地為由量子計(jì)算機(jī)執(zhí)行的指令的基礎(chǔ)。根據(jù)《Nature Reviews》的說(shuō)法，量子編程語(yǔ)言可用于：

• 管理現(xiàn)有的物理設(shè)備

• 預(yù)測(cè)量子算法在可能運(yùn)行設(shè)備上的執(zhí)行成本

• 驗(yàn)證量子計(jì)算的概念（量子位、疊加、糾纏）

• 測(cè)試和驗(yàn)證量子算法及其實(shí)現(xiàn)結(jié)果

當(dāng)前的量子編程語(yǔ)言和編譯器主要集中在優(yōu)化由量子門(mén)組成的低級(jí)電路上。量子門(mén)是量子電路的基石，它們類似于可逆邏輯門(mén)，例如Fredkin門(mén)、Tofffoli 門(mén)、交互門(mén)和開(kāi)關(guān)門(mén)。然而，最小的經(jīng)典可逆門(mén)必須使用三位，而最小的量子門(mén)只需使用兩位。

大多數(shù)量子編程是用3種語(yǔ)言完成的：

命令式量子編程語(yǔ)言

命令式編程語(yǔ)言是由要執(zhí)行的分步指令組成，用以實(shí)現(xiàn)所需的結(jié)果。經(jīng)典計(jì)算機(jī)中的命令式語(yǔ)言包括C、JavaScript、Pascal、Python等。最流行的量子命令式語(yǔ)言有：

1.QCL：量子計(jì)算語(yǔ)言，最早實(shí)現(xiàn)的量子編程語(yǔ)言之一，它在語(yǔ)法和數(shù)據(jù)類型方面類似于C語(yǔ)言。

2.QMASM：Quantum Macro Assembler，2016 年發(fā)布，是一種專用于量子退火的低級(jí)語(yǔ)言。QMASM的意義在于，它使程序員不必了解特定系統(tǒng)的硬件細(xì)節(jié)，且允許在低抽象級(jí)別上編寫(xiě)程序。

3.Silq：最初于2020年發(fā)布，Silq是一種用D語(yǔ)言編寫(xiě)的高級(jí)編程語(yǔ)言，在github上擁有482顆星和10位貢獻(xiàn)者，并在2021年定期更新。

其他命令式Q語(yǔ)言包括Quantum偽代碼、Q|SI>、Q語(yǔ)言、qGCL和Scaffold。

函數(shù)式量子編程語(yǔ)言

函數(shù)式編程語(yǔ)言不依賴于逐步指令，而是依賴于數(shù)學(xué)函數(shù)，這意味著可以使用數(shù)學(xué)變換將輸入轉(zhuǎn)換為輸出。函數(shù)式語(yǔ)言不如命令式語(yǔ)言流行，因?yàn)樗鼈儾恢С至骺刂疲ɡ缪h(huán)語(yǔ)句）或條件語(yǔ)句（例如 if/else語(yǔ)句）。使用它們的好處在于：

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1.少出錯(cuò)

1）編寫(xiě)和審查功能代碼的程序員表示更容易發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，因?yàn)榭呻[藏的漏洞更少。

2）報(bào)告的功能性錯(cuò)誤更容易修復(fù)。?

2.可嵌套函數(shù)

3.評(píng)估方便：

1）延遲表達(dá)式的求值，按照需要給出結(jié)果值

2）避免重復(fù)評(píng)估

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量子計(jì)算機(jī)的頂級(jí)編程語(yǔ)言是：

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1.QML：發(fā)表于2007年，一種基于嚴(yán)格線性邏輯的類Haskell量子編程語(yǔ)言，它可以集成可逆和不可逆的量子計(jì)算。

2.Quantum Lambda Calculus：它基于1930年引入的經(jīng)典λ演算，并于1996年首次定義用于量子計(jì)算。它使用高階函數(shù)（λx.x^3），因此它比標(biāo)準(zhǔn)的量子計(jì)算模型更強(qiáng)，例如作為量子圖靈機(jī)或量子電路模型。

3.QFC和QPL：在語(yǔ)義上QFC和QPL是等效的。但是，在QFC中，量子程序是使用流程圖語(yǔ)法表示的，而在QPL中，量子程序的句法結(jié)構(gòu)是使用文本表示法來(lái)表示。

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其他函數(shù)式語(yǔ)言包括LIQUi|>和Quipper。

多范式語(yǔ)言

還有一些特定領(lǐng)域的多范式語(yǔ)言，例如Microsoft的Q#和XanduAI的Strawberry Fields。

量子軟件開(kāi)發(fā)套件

無(wú)論開(kāi)發(fā)者使用命令式、函數(shù)式還是多范式語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)量子算法，都需要量子軟件來(lái)創(chuàng)建和操作量子程序，并且需要SDK在原型量子設(shè)備和模擬器上運(yùn)行量子電路，這些運(yùn)行量子程序的軟件環(huán)境通常是使用開(kāi)源Python語(yǔ)言。

量子編程算法

編程量子計(jì)算機(jī)的目的是解決量子物理學(xué)的問(wèn)題?？梢跃幊痰牧孔铀惴òǎ?/p>

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1、代數(shù)和數(shù)論算法，例如因式分解和高斯和；

2、近似和模擬，例如量子模擬、zeta函數(shù)和結(jié)不變量；

3、機(jī)器學(xué)習(xí)算法，例如聚類、二元分類和訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

量子編程的挑戰(zhàn)

量子計(jì)算機(jī)編程的難點(diǎn)在于：

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1、制定通用QC語(yǔ)言的難點(diǎn)；

2、量子力學(xué)中的不完備性和隱藏變量；

3、量子計(jì)算機(jī)仍處于起步階段，只能處理 <100 位量子比特，因此還不足以運(yùn)行復(fù)雜的量子算法。

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但是，開(kāi)源SDK的可用性使社區(qū)能夠?yàn)榫幊烫魬?zhàn)找到解決方案，并為量子計(jì)算找到更多實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景。

文：阿拉米拉·朱曼·哈賈爾

編譯：慕一

編輯：王珩

注：本文編譯自“AI Multiple?”，文章中的信息或所表述的觀點(diǎn)意見(jiàn)，均不代表量子前哨同意或支持。