Есть ли эмуляторы для квантовых компьютеров?

Есть ли способ эмулировать квантовый компьютер в моем обычном компьютере, чтобы я мог тестировать и пробовать языки квантового программирования (например, Q # )? Я имею в виду то, что я действительно могу проверить свою гипотезу и получить наиболее точные результаты.

Обновление: я на самом деле не ищу имитацию квантового компьютера, но я не уверен, возможно ли эффективно эмулировать его на обычном неквантовом компьютере.

Да, это возможно (но медленно). Существует несколько существующих (это только частичный список) эмуляторов:

• QDD: библиотека квантовой компьютерной эмуляции

  QDD - это библиотека C ++, которая предоставляет относительно интуитивно понятный набор конструкций квантовых вычислений в контексте среды программирования C ++. QDD уникален тем, что его эмуляция квантовых вычислений основана на представлении квантового состояния в двоичной диаграмме решений (BDD).

• jQuantum

  jQuantum - это программа, которая имитирует квантовый компьютер. Вы можете создать квантовые схемы с ним и позволить им работать. Текущее состояние квантового регистра иллюстрируется.

• QCE

  QCE - это программный инструмент, имитирующий различные аппаратные разработки Quantum Computers. QCE моделирует физические процессы, которые управляют работой аппаратного квантового процессора, строго в соответствии с законами квантовой механики. QCE также предоставляет среду для отладки и выполнения квантовых алгоритмов в реальных экспериментальных условиях.

(Кроме того, Q # работает только с QDK от MS , спасибо @Pavel)

Недостаток всего этого прост: они все еще работают на двоичных (не квантовых) схемах. Насколько мне известно, нет никакого легкодоступного квантового компьютера, который можно было бы использовать для запуска этих вещей. А поскольку для выражения одного кубита требуются несколько двоичных битов, объем вычислительной мощности, необходимый для моделирования квантовой программы, очень быстро увеличивается.

Я процитирую статью на эту тему ( J. Allcock, 2010 ):

Наша оценка показывает, что наши реализации очень точны, но в то же время мы используем значительный объем дополнительной памяти для достижения этой цели. Снижение наших целей по точности позволило бы нам уменьшить размер представления и, следовательно, эмулировать больше кубитов с тем же объемом памяти.

^{стр. 89, раздел 5.1}

Поскольку наши реализации становятся более точными, они также становятся медленнее.

TL; DR: это возможно, и некоторые эмуляторы существуют, но ни один не очень эффективен для больших количеств кубитов.

Да, на обычном компьютере можно смоделировать квантовый компьютер - но вам, скорее всего, придется пожертвовать эффективностью.

Размерность пространства состояний растет экспоненциально с количеством кубитов ( , где - количество кубитов), поэтому линейная алгебра, с которой вы будете иметь дело, не будет слишком легкой - вы столкнетесь с очень большими матрицами и алгоритм, который вы используете (независимо от того, насколько он эффективен), скорее всего, будет экспоненциально масштабироваться довольно быстро. Тем не менее, эмуляция контроля качества на обычной машине определенно возможна.$2^n$$n$

Ресурсы

Вы можете быть заинтересованы в Q #, как и другие ответы. Еще несколько эмуляторов:

• Квантовая вычислительная площадка

  Quantum Computing Playground - это браузерный эксперимент WebGL Chrome. Он оснащен квантовым компьютером с ускорением на графическом процессоре с простым интерфейсом IDE и собственным языком сценариев с функциями отладки и трехмерной визуализации квантового состояния. Quantum Computing Playground может эффективно моделировать квантовые регистры до 22 кубитов, запускать алгоритмы Гровера и Шора и имеет множество квантовых элементов, встроенных в сам язык сценариев.

• QX Simulator

  QX Simulator - это универсальный квантовый компьютерный симулятор, разработанный в QuTech Надером Хаммасси. QX позволяет разработчикам квантовых алгоритмов моделировать выполнение своих квантовых схем на квантовом компьютере. Симулятор определяет низкоуровневый язык квантовой сборки, а именно квантовый код, который позволяет пользователям описывать свои схемы в простом текстовом файле исходного кода. Затем файл исходного кода используется в качестве входных данных симулятора, который выполняет его содержимое.

• Quantum ++

  Quantum ++ - это современная библиотека C ++ 11 общего назначения для квантовых вычислений, состоящая исключительно из заголовочных файлов шаблонов. Quantum ++ написан на стандартном C ++ 11 и имеет очень низкие внешние зависимости, используя только библиотеку шаблонов только для заголовков линейной алгебры Eigen 3 и, если доступно, библиотеку многопроцессорной обработки OpenMP.

• Квантовый компьютерный язык

  Несмотря на многие общие понятия с классической информатикой, квантовые вычисления все еще широко рассматриваются как особая дисциплина в широкой области теоретической физики. [...] QCL (Язык квантовых вычислений) пытается заполнить этот пробел: QCL - это высокоуровневый, независимый от архитектуры язык программирования для квантовых компьютеров, с синтаксисом, полученным из классических процедурных языков, таких как C или Pascal. Это позволяет полностью реализовать и моделировать квантовые алгоритмы (включая классические компоненты) в одном непротиворечивом формализме.

• Более актуальные эмуляторы можно найти на Quantiki

Да, на классическом компьютере можно моделировать квантовые вычисления. Но стоимость моделирования растет экспоненциально с количеством кубитов и / или глубиной цепи и / или количеством конкретных операций.

Для быстрой проверки идей мой симулятор Quirk отлично подходит. Это симулятор квантового контура с открытым исходным кодом , работающий в вашем веб-браузере. Вы можете получить доступ к живой версии на algassert.com/quirk .

Вот снимок экрана примера схемы Гровера Quirk, которая оснащена промежуточными состояниями для отслеживания того, как «скрытое» состояние становится более вероятным:

Если вы специально смотрите на Q #, то использовать эмулятор очень просто - на самом деле, Q # невозможно, но не иметь эмулятора, они связаны друг с другом.

Для начала вам необходимо скачать .NET Core с веб-сайта Microsoft .

Когда вы загружаете Microsoft Quantum Development Kit через dotnet new -i "Microsoft.Quantum.ProjectTemplates::0.2-*"веб-сайт Microsoft или его веб-сайт, он загружает вместе и язык, и собственный эмулятор Microsoft.

Создание нового проекта Q # ( dotnet new console -lang Q#) автоматически настроит его для использования эмулятора, поэтому, когда вы набираете какой-то Q # и запускаете проект, он «просто работает».

Да. Если вы создадите его самостоятельно, найдите сторонний компьютер с теми же характеристиками, что и серии BullSequana M9600, или придумали € 100K + и купите систему у Atos.

Обратите внимание на сходство между сериями BullSequana M9600 и Atos QLM .

Та же коробка (и, вероятно, внутренние компоненты) с другим программным обеспечением (но вы хотели использовать свое собственное, Q #). Атос утверждает: «Самый высокоэффективный квантовый симулятор в мире». Я не уверен в этом, но спецификации для 30-кубитовой версии достижимы, всего два процессора Intel и 1 ТБ памяти.

Брошюра Atos QLM .PDF .

Есть ли способ эмулировать квантовый компьютер в моем обычном компьютере, чтобы я мог тестировать и пробовать языки квантового программирования (например, Q #)?

Если вы используете только 256 ГБ памяти и 1-24 ТБ на жестком диске, это будет медленно, но будет работать.

Я имею в виду кое-что, на чем я действительно могу проверить свою гипотезу и получить наиболее точные результаты .

Цитата из брошюры:

«Квантовая обучающая машина Atos вычисляет точное выполнение квантовой программы с точностью до двух цифр. Она имитирует законы физики , которые лежат в основе квантовых вычислений. Это очень отличается от существующих квантовых процессоров, которые страдают от квантовой шум, квантовая декогеренция и производственные погрешности, а также узкие места в производительности. Моделирование на Atos Quantum Learning Machine позволяет разработчикам сосредоточиться на своих приложениях и алгоритмах, не дожидаясь появления квантовых машин ».

Они требуют высокой точности, так как это симулятор, он не подвержен шуму - и при этом он не будет таким быстрым или дорогим. Теоретически вы можете добавить немного памяти, дисков и программного обеспечения на ваш компьютер ...

Я думаю, что хороший "обзор" по этому вопросу можно найти по адресу: Quantiki

У них есть список квантовых компьютерных симуляторов на нескольких языках, некоторые из них уже упоминались здесь. Тем не менее, они хранят список, который они обновляют, чтобы сообщить (или попытаться сообщить) о статусе проекта. Есть несколько «библиотек», таких как:

Haskell

qchas (qchas: библиотека для реализации квантовых алгоритмов) - библиотека, полезная для реализации квантовых алгоритмов. Содержит определения квантовых врат, кубитов.

питон

qubiter : проект Qubiter направлен на предоставление в конечном итоге полного набора инструментов, написанных в основном на Python, для проектирования и моделирования квантовых цепей на классических компьютерах.

Javascript

jsqis : jsqis, по своей сути, является квантовым компьютерным симулятором, написанным на Javascript. Это позволяет инициализировать квантовые регистры и управлять ими с помощью квантовых вентилей.