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什么是量子核算？

量子核算机的前景在于：在现有的一些规范设备上完结不了的重要核算，有望凭借量子世界的特色来完结，也即，它能极大扩展核算机处理的问题种类。

量子核算机更像 协处理器（一种芯片，用于减轻系统微处理器的特定处理使命）。

什么是QPU?

QPU,(quantum processing unit,量子处理单元)，是可用于运转量子核算机代码的设备渠道（类似于传统的面向CPU、GPU编程）。

当时还没有通用的实体量子核算机设备，可是已经有了在线的量子核算模拟器。我是通过查找引擎查找“QCEngine”的，这个免费的模拟器由《量子核算机编程：从入门到实践》的作者开发。

模拟器链接：
oreilly-qc.github.io/

模拟器上限

衡量GPU的其间（不是唯一）一个指标是在其上可操作的 qubit (量子比特，或许了解为量子位）的数量。

截止我参考的这本书出版（原版不清楚，翻译本是2021.7），QPU模拟器的世界纪录是51个量子位，大众使用的一般是能处理26位。

每向示例增加一个量子位，都会使运转模拟器所需内存加倍，速度折半。

实际机器硬件上限

与传统位比较，量子位没有纠错才能，易受搅扰和不稳定。

截止该书出版，实际最大的QPU硬件能到达70物理量子位。

QPU编程的特色

（注：以下大部分表述掺杂了我个人的了解，能够说是三手材料了，主张觉得下列说法貌同实异的uu去看原版或许中文翻译本，可是出于对知识产权的保护考虑，还是加个引用号）

以下问题是GPU编程也存在的问题。

• 一般是CPU与QPU协同运转。程序CPU上运转，宣布QPU指令，并在QPU上获取成果。
  （我的了解是它现在还要依附于现有的实体核算硬件）

• 不是所有使命都合适QPU编程。
  （正像用多线程分解素数其实作用不大）

• QPU的时钟机制：它通过专用的硬件接口衔接到外部设备。

• 典型的QPU有专门地随机存储器。

• 一块芯片、乃至是芯片上的一小块区域都能够成为QPU,不过更先进的需求大型附加设备和持续的冷却措施。

• 核算完结时，QPU向CPU返回的是核算成果的投影（同时舍弃了大部分内部作业数据）

• 对QPU调试的最好办法便是单行单行改程序，然后输出打印看差异。

• 对一条QPU指令的履行速度进行优化或许会拖慢另一条指令的履行速度。

代码实践

生成随机字节

关于had()

had()对应于量子位的HAD运算(hadamard)，本质上是为某个呈|0>态或|1>态的量子比特创立持平的叠加态。

• |0>、|1>被称为狄拉克符号，表明处于叠加态时终究或许会被读取到的值；真正被读取到的值是确认的，就用纯数字表明。

量子物理定律保证了had()运算有不行猜测性，下列代码每次运转或许生成的0/1成果都不同，能够用做伪随机数生成器应用。

qc.reset(1);         // allocate one qubit
qc.write(0);         // write the value zero
qc.had();            // place it into superposition of 0 and 1
var result = qc.read();  // read the result as a digital bit

生成随机字节

qc.reset(8);
qc.write(0);
qc.had();
var result=qc.read();
qc.print(result);

运转三次，别离输出122,123,176

量子监听检测

以下代码完结一个简化的量子密钥分发(quantum key distribution，量子密码学领域的核心协议)

监听检测原理

交流一些不需求加密的传统数字信息，测试并读取量子比特的值看是否契合预期（因为监听将不行避免地破坏量子态，使其成为确认态），假如不一致，说明有人监听。

代码及解释

注：英文注释为示例代码原有，中文字是我加上的

qc.reset(3);
qc.discard();
//创立通信对象及信道
var a = qint.new(1, 'alice');
var fiber = qint.new(1, 'fiber');
var b = qint.new(1, 'bob');
function random_bit(q) {
    q.write(0);
    q.had();
    return q.read();
}
// Generate two random bits
qc.label('get two random bits');
var send_had = random_bit(a);
var send_value = random_bit(a);
qc.label('');
// Prepare Alice's qubit（只要alice自己知道，且量子位处于不确认态）
a.write(0);
qc.label('set value');
qc.nop();
//依据end_had值判别是否应用HAD
if (send_value)
    a.not();
qc.nop();
qc.label('');
qc.nop();
qc.label('apply had');
qc.nop();
if (send_had)
    a.had();
qc.nop();
qc.label('');
// Send the qubit!
fiber.exchange(a);
// Activate the spy
var spy_is_present = true;
if (spy_is_present)
{
    var spy_had = 1;
    qc.nop();
    qc.label('spy');
    if (spy_had)
        fiber.had();
    stolen_data = fiber.read();
    fiber.write(0);
    if (stolen_data)
        fiber.not();
    if (spy_had)
        fiber.had();
    qc.label('');
    qc.nop();
}
// Receive the qubit!
//bob偶然能正确解码alice的二进制值
var recv_had = random_bit(b);
fiber.exchange(b);
qc.label('apply had');
qc.nop();
if (recv_had)
    b.had();
qc.nop();
qc.label('');
qc.nop();
qc.label('read value');
qc.nop();
recv_val = b.read();
qc.nop();
qc.label('');
qc.nop();
// Now Alice emails Bob to tell
// him her had setting and value.
// If the had setting matches and the
// value does not, there's a spy!
if (send_had == recv_had)
    if (send_value != recv_val)
        qc.print('Caught a spy!\n');

参考材料

• 《量子核算机编程：从入门到实践》

[美] 埃里克R 约翰斯顿， [英] 尼古拉斯哈里根 著;

[西] 梅塞德丝希梅诺，[中]郑明智译

• oreilly-qc.github.io/