作者丨Tamuz Danzig

譯者 | 布加迪

審校 | 重樓

出品 | 51CTO技術棧（微信號：blog51cto）

量子計算領域關注的焦點往往落在硬件上：量子比特和超導電路等。但現在是時候把我們的注意力轉移到幕后英雄量子軟件上，從將抽象的量子算法轉化為可執行的代碼到優化電路設計，量子軟件起到了舉足輕重的作用。

我們在本文中將探究量子編程的基礎，與經典計算進行比較，深入研究量子語言扮演的角色，并預測這項新興技術的變革性影響。歡迎閱讀這篇量子軟件初學指南，從此踏上通向量子計算核心的旅程。

1、量子編程與經典編程的主要差異

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從本質上講，量子計算世界與經典計算世界形成了鮮明的對比。兩者的區別不僅限于硬件，還延伸到了編程的核心。不妨闡述這兩大計算領域的幾個主要區別。

我們大多數人平常使用經典的計算機處理二進制數據。這意味著它們以比特的形式處理信息，比特要么處于0狀態，要么處于1狀態。因此，經典程序的核心是使用邏輯運算處理這些比特。

然而，量子計算機的功能截然不同。它們利用奇特的量子物理學，通過“量子比特”來處理信息。與比特不同，由于疊加這種現象，量子比特可以同時存在于多種狀態。此外，量子比特還可以糾纏，這意味著一個量子比特的狀態可以立即影響另一個量子比特的狀態，無論它們之間的距離有多遠。 

因此，為量子計算機編程需要一種新的方法、新的邏輯和一套全新的編程語言。量子軟件開發人員不僅僅指令一系列操作，他們還編排量子比特之舞，利用量子物理學的特殊特性來解決復雜的問題。量子編程的魅力之處在于，它能夠編出疊加和糾纏之舞，以比經典計算快得多的速度獲得解決方案。

量子計算并不取代經典計算，而是補充經典計算，解決了目前因計算類型和復雜性而無法用經典計算機解決的問題。因此，量子軟件需要對經典計算原理和量子計算原理都有深刻的理解，才能有效地結合兩者之所長，應對各自的挑戰。

2、量子編程的構建模塊

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量子編程需要一系列獨特的術語來描述量子程序的構建模塊。這些術語幫助我們描述和了解量子計算的多維世界。在這里，我們重點介紹其中的三個術語：量子門、量子電路和量子算法。

量子門：就像經典計算機使用邏輯門（與、或、非）一樣，量子計算機也使用量子門。但與經典門不同，量子門是可逆的處理概率。它們操縱量子比特的狀態以執行量子操作。一些例子包括Pauli-X、Pauli-Y、Pauli-Z、Hadamard和CNOT門。 

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量子電路：一連串排成序列的量子門形成一個量子電路。量子電路定義了量子比特為解決某個特定問題所經歷的轉換。由于量子物理學的性質，電路的行為本質上具有概率性。

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量子算法：量子算法是旨在執行某項特定任務或解決某個特定問題的量子電路序列，這就像指令序列構成經典算法一樣。一些流行的量子算法包括用于分解大數的Shor’s算法和用于搜索未排序數據庫的Grover’s算法。量子算法利用疊加和糾纏現象，在處理某些類型的問題時性能優于經典算法。

在量子編程領域，我們實際上是設計一個編排好的序列，通過這些量子門來操縱量子比特，形成量子電路來執行量子算法。這一切都是為了解決經典計算機所無法解決的問題。

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3、量子編程領域

量子編程世界與它旨在解決的一系列問題一樣具有多樣化。已涌現出了各種量子編程語言和軟件平臺，以滿足不同的需求，每種語言和軟件都有其獨特的方法和優勢。下面介紹這個廣泛的領域。

量子編程語言：就像經典計算有C++、Python和Java一樣，量子計算也形成了自己的一套語言。比如說，來自微軟的Q#和來自IBM的Qiskit是當今最流行的兩種量子編程語言。它們允許您定義和操縱量子狀態，運用量子門，并測量結果。

在這里我們可以看到qiskit代碼，它創建一個有兩個量子比特的量子寄存器，并對第一個量子比特運用了Hadamard門，對兩個量子比特運用了CNOT門。然后，代碼測量兩個量子比特。

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軟件平臺：除了獨立的編程語言外，還有一些軟件平臺旨在幫助量子開發。比如說，我們在CLASSIQ的平臺提供了一種直觀、可視化的方式來設計量子電路和算法。正是借助這種高級抽象，量子開發人員、初學者和專家都能得以利用量子計算的強大功能，不會深陷門定義的低級細節中。

請記住，每種工具和語言都有其優勢，選擇常常取決于您在處理的具體問題。關鍵在于為正確的工作選擇正確的工具，就像在經典計算領域一樣。

4、量子編程過程

雖然為量子計算機編程最初看起來令人生畏，但總體視角將任務簡化為一系列邏輯步驟。以下是總體過程的概述：

問題表述：量子編程的第一步是定義所要解決的問題。這可能是優化金融投資組合、模擬化學反應或者破解加密代碼。明白不是所有的問題都適合量子解決方案這一點至關重要。一些任務由傳統計算機處理起來可能更有效。因此，選擇合適類型的問題是一個關鍵的決定。

算法選擇：一旦您定義了問題，下一步就是選擇一種可以解決問題的量子算法。量子算法越來越多，每一種都是為了解決特定類型的問題而設計的。一些算法非常適合優化任務，另一些算法則為模擬或機器學習而設計。

具體實施：有了問題和算法，現在就可以開始實施了。這時候量子編程語言和平臺有了用武之地。您可以使用所選擇的語言或平臺將所選擇的算法翻譯成量子代碼。這通常是整個過程中最具技術含量的部分，它可能涉及復雜的任務，比如設計量子電路和管理量子狀態。

執行和分析：最后，在量子計算機或模擬器上執行量子程序并分析結果。由于量子計算具有概率性，您可能需要多次運行程序才能獲得統計上顯著的結果。分析常常需要在結合原始問題的背景下解釋量子結果。

就像學習傳統意義上的編程一樣，精通量子編程的道路離不開實踐、耐心和強大的好奇心。

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5、量子計算的未來

量子計算的影響很廣泛，且大有前途。隨著我們不斷改進利用和操縱量子現象的能力，我們將見證量子計算機解決一些世界上最復雜、目前無法解決的問題的方案。

多個行業迎來創新：量子計算有望徹底改變多個行業。比如說，制藥公司可以使用量子系統來模擬和分析復雜的分子結構，從而發現新的藥物。金融行業則可以利用量子算法進行更準確的風險評估、投資組合優化和欺詐檢測。

提高數據安全性：量子計算機將來有可能破解當前的加密方法令人擔憂，但這也提供了一個機會。隨著我們在量子計算領域不斷進步，我們將同時開發抗量子加密技術，開辟一個數據安全的新時代。

科學發現：量子計算有望加快科學發現。在材料科學等領域，量子模擬有助于發現具有理想特性的新材料。在氣候科學中，它可以通過更好地為復雜系統建模來提供更準確的氣候預測。

雖然這些令人興奮的機會初露端倪，但重要的是要記住這點：量子計算之旅才剛剛開始。這是一個正有待我們去探索和創新的領域。

隨著我們從理論進入到實踐，從抽象進入到應用，量子編程將發揮越來越重要的作用。如果今天學習量子編程的原理，您不僅可以為量子驅動的未來做好準備，還可以積極地參與創造這個未來的工作。

參考鏈接：

https://sdtimes.com/softwaredev/mastering-the-quantum-code-a-primer-on-quantum-software/