البرمجة الكمومية

مشروع مفتوح المصدر طورته جوجل ، يستخدم لغة البرمجة بايثون لإنشاء ومعالجة الدوائر الكمومية. يمكن تشغيل البرامج المكتوبة بلغة ^{Cirq على منصات IonQ} و Pasqal و Rigetti ^و Alpine ^Quantum Technologies .

تستخدم بيئة تطوير متكاملة (IDE) سحابية متخصصة في الحوسبة الكمومية، طورتها شركة Classiq، لغة Qmod عالية المستوى لإنشاء دوائر كمومية قابلة للتوسع وفعالة، وذلك باستخدام محرك توليف مُدرك للأجهزة، ويمكن نشرها على نطاق واسع من وحدات المعالجة الكمومية (QPUs). وتتضمن المنصة مكتبة ضخمة من الخوارزميات الكمومية.

مشروع مفتوح المصدر طوّره ريغيتي ، يستخدم لغة البرمجة بايثون لإنشاء ومعالجة الدوائر الكمومية. تُحَصَّل النتائج إما باستخدام برامج محاكاة أو نماذج أولية لأجهزة كمومية يوفرها ريغيتي. بالإضافة إلى إمكانية إنشاء برامج باستخدام العمليات الكمومية الأساسية، تتوفر خوارزميات متقدمة ضمن حزمة غروف. ^{[ 15 ]} يعتمد مشروع فورست على مجموعة تعليمات كويل .

MindQuantum هو إطار عمل للحوسبة الكمومية يعتمد على MindSpore ، ويركز على تنفيذ خوارزميات NISQ . ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]}

مجموعة أدوات مفتوحة المصدر طورتها شركة D-Wave. كُتبت في الغالب بلغة برمجة بايثون، وتُمكّن المستخدمين من صياغة المسائل بصيغتي نموذج إيزينغ والتحسين الثنائي غير المقيد التربيعي (QUBO). يمكن الحصول على النتائج عن طريق إرسالها إلى حاسوب كمومي متصل بالإنترنت في بيئة Leap، وهي بيئة تطبيقات الكم في الوقت الحقيقي من D-Wave، أو أجهزة مملوكة للعميل، أو أجهزة أخذ عينات تقليدية.

مكتبة بايثون مفتوحة المصدر طورتها شركة Xanadu Quantum Technologies للبرمجة التفاضلية للحواسيب الكمومية. ^{[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]} تتيح PennyLane للمستخدمين إمكانية إنشاء نماذج باستخدام TensorFlow أو NumPy أو PyTorch ، وربطها بأنظمة خلفية للحواسيب الكمومية متوفرة من IBMQ و Google Quantum و Rigetti و Quantinuum ^{[ 23 ]} و Alpine Quantum Technologies . ^{[ 14 ] [ 24 ]}

مشروع مفتوح المصدر أنشأته شركة كوانديلا لتصميم الدوائر الكمومية الضوئية وتطوير الخوارزميات الكمومية، ويعتمد على لغة بايثون . تُجرى عمليات المحاكاة إما على جهاز المستخدم أو على الحوسبة السحابية . كما يُستخدم برنامج بيرسيفال للاتصال بمعالج كوانديلا الكمومي الضوئي السحابي . ^{[ 25 ] [ 26 ]}

مشروع مفتوح المصدر تم تطويره في معهد الفيزياء النظرية في المعهد الفدرالي السويسري للتكنولوجيا في زيورخ ، ويستخدم لغة البرمجة بايثون لإنشاء ومعالجة الدوائر الكمومية. ^{[ 27 ]} يتم الحصول على النتائج إما باستخدام محاكي، أو عن طريق إرسال مهام إلى أجهزة IBM الكمومية.

تُعدّ حزمة تطوير البرمجيات qBraid SDK إطار عمل مفتوح المصدر ومستقل عن المنصات لتشغيل البرامج الكمومية، طوّرته شركة qBraid. تُمكّن هذه الحزمة المستخدمين من كتابة البرامج الكمومية مرة واحدة وتشغيلها على مختلف الأجهزة والمحاكيات الكمومية دون تعديل الشفرة. تدعم حزمة تطوير البرمجيات العديد من مكتبات البرمجة الكمومية، بما في ذلك Qiskit وCirq وPennyLane وPyQuil وBraket، وغيرها. وتتميز بمترجم برمجي قائم على الرسوم البيانية يُسهّل التحويل بين أنواع البرامج الكمومية المختلفة، مما يسمح بالتوافق السلس بين أطر العمل. كما توفر حزمة تطوير البرمجيات أدوات لإرسال المهام واسترجاع النتائج وتصوير الدوائر. وهي مُدمجة مع qBraid Lab، مما يتيح الوصول إلى أكثر من 20 جهازًا ومحاكيًا كموميًا من مزودين مثل IonQ وRigetti وQuEra وIQM. ^{[ 28 ] [ 29 ]}

واجهة برمجة تطبيقات مفتوحة المصدر ومتكاملة لمحاكاة الكم، والتحكم في أجهزة الكم ومعايرتها، طُوِّرت بواسطة العديد من المختبرات البحثية، بما في ذلك QRC و CQT و INFN . Qibo عبارة عن إطار عمل معياري يتضمن العديد من الواجهات الخلفية لمحاكاة الكم والتحكم في الأجهزة. ^{[ 30 ] [ 31 ]} يهدف هذا المشروع إلى توفير إطار عمل للتحكم في أجهزة الكم، مستقل عن المنصة، مع برامج تشغيل لأجهزة متعددة ^{[ 32 ]} وأدوات لمعايرة الكم، وتوصيفه، والتحقق من صحته. ^{[ 33 ]} يركز هذا الإطار على أجهزة الكم ذاتية الاستضافة من خلال تبسيط تطوير البرمجيات المطلوب في المختبرات.

مشروع مفتوح المصدر طورته شركة IBM . ^{[ 34 ]} تُنشأ الدوائر الكمومية وتُعالج باستخدام لغة بايثون. تُحصل النتائج إما باستخدام محاكيات تعمل على جهاز المستخدم، أو محاكيات توفرها IBM، أو نماذج أولية لأجهزة كمومية توفرها IBM. بالإضافة إلى إمكانية إنشاء برامج باستخدام العمليات الكمومية الأساسية، تتوفر أدوات متقدمة للخوارزميات وقياس الأداء ضمن حزم برمجية متخصصة. ^{[ 35 ]} يعتمد Qiskit على معيار OpenQASM لتمثيل الدوائر الكمومية. كما يدعم التحكم في مستوى النبضات للأنظمة الكمومية عبر معيار QiskitPulse. ^{[ 36 ]}

Qrisp ^{[ 37 ]} هو مشروع مفتوح المصدر تتولى تنسيقه مؤسسة Eclipse ^{[ 38 ]} ، وقد طُوّر بلغة برمجة بايثون بواسطة معهد Fraunhofer FOKUS ^{[ 39 ].} Qrisp هي لغة برمجة عالية المستوى لإنشاء وتجميع الخوارزميات الكمومية. يُمكّن نموذج البرمجة الهيكلي الخاص بها من تطوير وصيانة قابلة للتوسع. يعتمد بناء الجملة التعبيري على المتغيرات بدلاً من الكيوبتات، مع اعتبار QuantumVariable فئة أساسية، وعلى الدوال بدلاً من البوابات. تُكمّل أدوات إضافية، مثل مُحاكي عالي الأداء وخاصية إلغاء الحساب التلقائي، هذا الإطار الشامل. علاوة على ذلك، فهو مستقل عن المنصة، حيث يُتيح تجميعًا بديلاً للدوال الأساسية وصولاً إلى مستوى الدائرة، استنادًا إلى مجموعات البوابات الخاصة بالجهاز.

مشروعٌ طوّرته مايكروسوفت ^{[ 40 ]} كجزءٍ من إطار عمل .NET . يمكن كتابة برامج الحوسبة الكمومية وتشغيلها داخل Visual Studio و VSCode باستخدام لغة البرمجة الكمومية Q#. يمكن تشغيل البرامج المطوّرة في QDK على Azure Quantum ^من مايكروسوفت ^{[ 41 ]} ، وعلى أجهزة الحوسبة الكمومية من Quantinuum [ ^{23 ]} و IonQ و Pasqal ^{[ 13 ]} .

مكتبة بايثون مفتوحة المصدر طورتها شركة Xanadu Quantum Technologies لتصميم ومحاكاة وتحسين الدوائر البصرية الكمومية ذات المتغيرات المستمرة . ^{[ 42 ] [ 43 ]} توفر المكتبة ثلاثة محاكيات: الأول يعتمد على أساس فوك ، والثاني على الصيغة الغاوسية للبصريات الكمومية، ^{[ 44 ]} والثالث على مكتبة TensorFlow للتعلم الآلي. كما تُستخدم Strawberry Fields لتشغيل البرامج على أجهزة Xanadu الكمومية الضوئية. ^{[ 45 ] [ 46 ]}

بيئة برمجة كمومية ومترجم تحسين تم تطويره بواسطة Quantinuum يستهدف أجهزة المحاكاة والعديد من الأجهزة الكمومية الخلفية للأيونات المحصورة، تم إصداره في ديسمبر 2018. ^{[ 47 ]}

حزمة إضافية للغة Wolfram توفر تمثيلاً رمزياً عالي المستوى للكائنات الكمومية مثل الأساسات والحالات والمؤثرات والقنوات والقياسات والدوائر، وهي متكاملة مع برنامج Mathematica . ^{[ 48 ]} يتضمن هذا الإطار أدوات للمحاكاة والتحليل، مثل تطور الزمن، ومحاكاة القياس، ورتابة التشابك، والتتبع الجزئي/النقل، وتحويلات ويغنر المنفصلة، ​​وطرق التثبيت، وأدوات شبكة الموترات، بالإضافة إلى مكتبة من البنى المسماة (مثل حالات Bell/GHZ، ومؤثرات باولي ، وفوريه ، وغروفر، إلخ). ^{[ 48 ]} كما يوفر تصوراً مدمجاً (مثل مخططات الدوائر ومخططات كرة بلوخ) وإمكانية التشغيل البيني مع المنصات الخارجية، بما في ذلك التحويل إلى تنسيقات Qiskit وAmazon Braket، والقدرة على إرسال استعلامات إلى وحدات المعالجة الكمومية (QPUs) عبر اتصالات الخدمة.

Ket ^{[ 52 ]} هي لغة برمجة مضمنة مفتوحة المصدر مصممة لتسهيل البرمجة الكمومية، مستفيدةً من بنية بايثون المألوفة وبساطتها. وهي تُعدّ مكونًا أساسيًا في منصة Ket للبرمجة الكمومية ^{[ 53 ]} ، حيث تتكامل بسلاسة مع مكتبة وقت تشغيل Rust ومحاكي كمومي. يُركز هذا المشروع، الذي تتولى صيانته شركة Quantuloop، على سهولة الوصول إليه وتعدد استخداماته للباحثين والمطورين. يوضح المثال التالي كيفية تنفيذ حالة بيل باستخدام Ket:

من ket استيراد *a , b = quant ( 2 ) # تخصيص بتّين كموميينH ( a ) # ضع الكيوبت `a` في حالة تراكبcnot ( a , b ) تشابك الكيوبتات في حالة بيلm_a = measure ( a ) # قياس الكيوبت `a`، مع دمج الكيوبت `b` أيضًاm_b = measure ( b ) # قياس الكيوبت `b`# أكد أن قياس كلا الكيوبت سيكون متساوياً دائماًتحقق من أن قيمة m_a تساوي قيمة m_b

منطق البرامج الكمومية (LQP) هو منطق كمومي ديناميكي، قادر على التعبير عن خصائص مهمة للقياسات الكمومية والتطورات الوحدوية للحالات متعددة الأجزاء، ويوفر توصيفات منطقية لأشكال مختلفة من التشابك. وقد استُخدم هذا المنطق لتحديد صحة بروتوكولات متنوعة في الحوسبة الكمومية والتحقق منها. ^{[ 54 ] [ 55 ]}

لغة Q هي ثاني لغة برمجة كمومية إجرائية مُطبقة. ^{[ 56 ]} طُورت لغة Q كامتداد للغة البرمجة C++ . توفر اللغة فئات للعمليات الكمومية الأساسية مثل QHadamard وQFourier وQNot وQSwap، المشتقة من الفئة الأساسية Qop. ويمكن تعريف عوامل تشغيل جديدة باستخدام آلية فئات C++.

يتم تمثيل الذاكرة الكمومية بواسطة الفئة Qreg.

Qreg x1 ; // سجل كمومي أحادي الكيوبت بقيمة ابتدائية 0 Qreg x2 ( 2 , 0 ); // سجل كمومي ثنائي الكيوبت بقيمة ابتدائية 0

تُنفذ عملية الحساب باستخدام محاكي مُقدم. ويمكن محاكاة البيئات الصاخبة باستخدام معلمات المحاكي.

لغة طورتها شركة مايكروسوفت لاستخدامها مع مجموعة أدوات تطوير Quantum . ^{[ 57 ]}

لغة الحوسبة الكمومية (QCL) هي إحدى أوائل لغات البرمجة الكمومية المُطبقة . ^{[ 58 ]} أهم ما يُميز QCL هو دعمها للمُعاملات والدوال المُعرّفة من قِبل المستخدم. يُشبه تركيبها تركيب لغة البرمجة C ، كما أن أنواع بياناتها التقليدية تُشابه أنواع البيانات الأولية في C. يُمكن دمج الشفرة التقليدية والشفرة الكمومية في البرنامج نفسه.

تم تعريف لغة الأوامر المحمية الكمومية (qGCL) من قبل بي. زولياني في أطروحته للدكتوراه. وهي تستند إلى لغة الأوامر المحمية التي ابتكرها إدسكار ديكسترا .

يمكن وصفها بأنها لغة لتحديد مواصفات البرامج الكمومية.

لغة التجميع الكمومي الكلية (QMASM) هي لغة منخفضة المستوى خاصة بأجهزة التلدين الكمومي مثل D-Wave. ^{[ 59 ]}

لغة النمذجة الكمومية (Qmod) هي لغة برمجة عالية المستوى تُجرّد عمليات الكيوبت على مستوى البوابات المنطقية، مما يوفر منهجًا وظيفيًا لتنفيذ الخوارزميات الكمومية على السجلات الكمومية. تُعد هذه اللغة جزءًا من منصة Classiq ، ويمكن استخدامها مباشرةً بصيغتها الأصلية، أو من خلال حزمة تطوير برمجية (SDK) بلغة بايثون، أو باستخدام محرر مرئي. وتستفيد جميع هذه الطرق من مكتبة الخوارزميات الواسعة وكفاءة تحسين الدوائر.

Q|SI> هي منصة مدمجة بلغة .Net تدعم البرمجة الكمومية باستخدام امتداد كمومي للغة while. ^{[ 51 ] [ 60 ]} تتضمن هذه المنصة مُصرّفًا للغة while الكمومية ^{[ 61 ]} ومجموعة من الأدوات لمحاكاة الحوسبة الكمومية، وتحسين الدوائر الكمومية، وتحليل إنهاء البرامج الكمومية، ^{[ 62 ]} والتحقق من صحة البرامج الكمومية. ^{[ 63 ] [ 64 ]}

تُعتبر الشفرة الزائفة الكمومية التي اقترحها إي. كنيل أول لغة رسمية لوصف الخوارزميات الكمومية . وقد تم تقديمها، بل وربطها ارتباطًا وثيقًا، بنموذج آلة كمومية يسمى آلة الوصول العشوائي الكمومي (QRAM).

Scaffold هي لغة شبيهة بلغة C، تُترجم إلى QASM و OpenQASM. وهي مبنية على بنية LLVM Compiler Infrastructure لإجراء تحسينات على كود Scaffold قبل توليد مجموعة تعليمات محددة. ^{[ 65 ] [ 66 ]}

Silq هي لغة برمجة عالية المستوى للحوسبة الكمومية ذات نظام أنواع ثابت قوي، تم تطويرها في ETH زيورخ . ^{[ 67 ] [ 68 ]}

LIQUi|> (تُنطق ليكويد ) هي إضافة لمحاكاة الكم في لغة البرمجة F# . ^{[ 75 ]} ويجري تطويرها حاليًا من قِبل مجموعة هندسة الحوسبة الكمومية (QuArC) ^{[ 76 ]،} وهي جزء من جهود StationQ في مايكروسوفت للأبحاث. تسعى LIQUi|> إلى تمكين الباحثين النظريين من تجربة تصميم الخوارزميات الكمومية قبل توفر الحواسيب الكمومية المادية للاستخدام. ^{[ 77 ]}

يتضمن لغة برمجة، وخوارزميات تحسين وجدولة، ومحاكيات كمومية. يمكن استخدام LIQUi لترجمة خوارزمية كمومية مكتوبة على شكل برنامج عالي المستوى إلى تعليمات الآلة منخفضة المستوى لجهاز كمومي. ^{[ 78 ]}

لغتا البرمجة الكمومية QFC وQPL متقاربتان للغاية، وقد عرّفهما بيتر سيلينجر. يختلفان فقط في تركيبهما النحوي: تستخدم QFC تركيبًا بيانيًا انسيابيًا، بينما تستخدم QPL تركيبًا نصيًا. تتمتع هاتان اللغتان بتدفق تحكم كلاسيكي، لكنهما قادرتان على العمل على البيانات الكمومية أو الكلاسيكية. يُقدّم سيلينجر دلالات وصفية لهاتين اللغتين ضمن فئة المؤثرات الفائقة .

QML هي لغة برمجة كمومية شبيهة بلغة هاسكل، من تطوير ألتنكيرش وغراتاج. ^{[ 79 ] [ 70 ]} على عكس لغة QPL الخاصة بسيلينجر، تعتبر هذه اللغة تكرار المعلومات الكمومية عملية أساسية، بدلاً من تجاهلها. يُفهم التكرار في هذا السياق على أنه العملية التي تُحوّل${\displaystyle |\phi \rangle }$ل${\displaystyle |\phi \rangle \otimes |\phi \rangle }$ولا ينبغي الخلط بينه وبين عملية الاستنساخ المستحيلة ؛ إذ يزعم المؤلفون أنه يشبه كيفية نمذجة المشاركة في اللغات الكلاسيكية. كما يقدم QML عوامل تحكم كلاسيكية وكمومية، بينما تعتمد معظم اللغات الأخرى على التحكم الكلاسيكي.

تُقدَّم دلالات تشغيلية للغة QML باستخدام الدوائر الكمومية ، بينما تُقدَّم دلالات وصفية باستخدام المؤثرات الفائقة ، وقد ثبت توافقهما. وقد تم تطبيق كلتا الدلالتين التشغيلية والوصفية (تقليديًا) في لغة هاسكل. ^{[ 80 ]}

حسابات لامدا الكمومية هي امتداد لحسابات لامدا الكلاسيكية التي قدمها ألونسو تشيرش وستيفن كول كلين في ثلاثينيات القرن العشرين. والغرض من حسابات لامدا الكمومية هو توسيع لغات البرمجة الكمومية بنظرية الدوال ذات الرتبة العليا .

كانت أول محاولة لتعريف حساب لامدا الكمومي من قِبل فيليب مايمين عام ١٩٩٦. ^{[ ٨١ ]} يتميز حساب لامدا-كيو الخاص به بقدرته الفائقة على التعبير عن أي عملية حسابية كمومية. مع ذلك، فإن هذه اللغة قادرة على حل مسائل NP-كاملة بكفاءة عالية ، وبالتالي تبدو أقوى بكثير من نماذج الحوسبة الكمومية القياسية (مثل آلة تورينج الكمومية أو نموذج الدائرة الكمومية ). لذلك، من المحتمل ألا يكون حساب لامدا-كيو الخاص بمايمين قابلاً للتطبيق على جهاز مادي.

في عام 2003، عرّف أندريه فان توندر امتدادًا لحساب لامدا مناسبًا لإثبات صحة البرامج الكمومية. كما قدّم تطبيقًا له بلغة برمجة Scheme . ^{[ 82 ]}

في عام 2004، قام سيلينجر وفاليرون بتعريف حساب لامدا قوي النوع للحوسبة الكمومية بنظام نوع يعتمد على المنطق الخطي . ^{[ 83 ]}

نُشرت لغة Quipper في عام 2013. ^{[ 84 ] [ 85 ]} وهي مُطبقة كلغة مُدمجة، باستخدام لغة Haskell كلغة أساسية. ^{[ 86 ]} ولهذا السبب، تُكتب البرامج الكمومية المكتوبة بلغة Quipper بلغة Haskell باستخدام المكتبات المُتاحة. على سبيل المثال، يُنفذ الكود التالي عملية تحضير التراكب.

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