Kvantni programski jezici su alati razvijeni specifično za kvantno računarstvo, koje koristi kvantne bitove (kubitove) umesto klasičnih bitova za obradu podataka. U kvantnim računarima, kubiti mogu postojati u više stanja istovremeno zahvaljujući kvantnim fenomenima kao što su superpozicija i kvantno preplitanje. Kvantni programski jezici omogućavaju razvoj algoritama koji koriste ove principe za rešavanje problema koji su veoma teški ili nemogući za klasične računare.
Za razliku od klasičnih jezika koji koriste determinističke operacije (logičke kapije poput AND, OR), kvantni programski jezici manipulišu kvantnim stanjima putem kvantnih operacija kao što su Hadamard, Pauli-X i druge kvantne transformacije. Programi u ovim jezicima pišu se s ciljem da iskoriste specifične prednosti kvantne paralelizacije i eksponencijalnih brzina koje kvantni računari mogu pružiti.
Bitovi naspram kubita: Klasično programiranje koristi bitove koji mogu biti ili 0 ili 1. U kvantnom računanju koristi se kubit, koji može biti 0, 1 ili obe vrednosti istovremeno (superpozicija), čime se omogućava paralelna obrada više stanja.
Determinističke naspram verovatnosnih operacija: Klasično programiranje se oslanja na determinističke operacije, gde su izlazi jasno definisani na osnovu ulaza. Kvantno programiranje koristi verovatnosne operacije, gde je rezultat kvantnog algoritma zasnovan na verovatnoćama i može dati različite izlaze pri ponovljenom izvršavanju istog programa.
Logičke kapije naspram kvantnih kapija: U tradicionalnom programiranju, operacije se obavljaju korišćenjem logičkih kapija (AND, OR, NOT). Kvantno programiranje koristi kvantne kapije (Hadamard, Pauli-X, CNOT) koje manipulišu kvantnim stanjima kubita i omogućavaju složene kvantne operacije.
Izlaz: U klasičnom programiranju izlaz je jasan i može biti odmah pročitan, dok u kvantnom programiranju izlaz zahteva merenje, koje može promeniti kvantno stanje. Meri se verovatnoća određene vrednosti (0 ili 1), i to zahteva više izvođenja istog kvantnog algoritma kako bi se dobio pouzdan rezultat.
Algoritmi: Kvantno programiranje omogućava korišćenje kvantnih algoritama kao što su Shorov algoritam za faktorizaciju brojeva ili Groverov algoritam za pretraživanje nestrukturiranih podataka, koji imaju eksponencijalno ili kvadratno ubrzanje u odnosu na klasične algoritme.
Definisanje problema: Prvi korak je identifikacija problema koji se može rešiti kvantnim računarstvom. Neki problemi su prirodno pogodniji za kvantne računare, kao što su optimizacija, kriptografija, simulacija molekula i mašinsko učenje.
Izbor kvantnog algoritma: Nakon definisanja problema, bira se kvantni algoritam koji može najbolje iskoristiti kvantne resurse. Primeri algoritama uključuju Groverov algoritam, Shorov algoritam ili kvantne Fourierove transformacije.
Kreiranje kvantnog kola: Kvantni algoritmi se prevode u kvantna kola koja sadrže niz kvantnih kapija. Ovo je ključni deo programiranja jer se fizičke operacije na kubitima mapiraju u kvantne kapije.
Pisanje koda u kvantnom jeziku: Korišćenjem kvantnih programskih jezika kao što su Qiskit, Cirq ili Q#, kreira se kvantni program. Ovi jezici omogućavaju programerima da pišu kvantne algoritme na visokom nivou i testiraju ih u kvantnim simulacijama ili na stvarnim kvantnim uređajima.
Simulacija i optimizacija: Budući da su kvantni računari još uvek ograničeni u performansama, kvantni programi se često prvo testiraju na klasičnim računarima koristeći kvantne simulatore. Ove simulacije pomažu u identifikaciji grešaka i optimizaciji algoritma pre nego što se pokrene na stvarnom kvantnom hardveru.
Izvršavanje na kvantnom računaru: Kada je program optimizovan, on se može izvršiti na kvantnim računarima, kao što su oni koje nudi IBM, Google ili Rigetti. Budući da kvantno merenje može imati stohastičke rezultate, kvantni programi se često pokreću više puta kako bi se dobio statistički relevantan rezultat.
Analiza rezultata: Posle izvršenja programa, rezultati se analiziraju kako bi se izvukli zaključci. U mnogim slučajevima, ti rezultati se kombinuju sa klasičnim metodama obrade podataka kako bi se postigli konačni zaključci.
Qiskit (IBM):
Microsoft Q#:
Cirq (Google):
Quipper:
Strawberry Fields (Xanadu):
ProjectQ:
PennyLane (Xanadu):
Forest (Rigetti):
Silq:
Yao.jl (Julia):
Učenje ovih kvantnih programskih jezika u 2024. godini pomoći će vam da se prilagodite rastućoj industriji kvantnog računarstva. Svaki jezik ima svoje specifične prednosti i primene, bilo da se radi o istraživanju, razvoju kvantnih aplikacija ili eksperimentisanju sa kvantnim algoritmima.
© Sva prava pridržana, Kompjuter biblioteka, Beograd, Obalskih radnika 4a, Telefon: +381 11 252 0 272 |
||