Programming Quantum Hardware via Levenberg Marquardt Machine Learning
随着宏观量子计算的发展,噪声、退相干和缩放的硬件问题,纠错的软件问题,以及最重要的算法构建,仍然存在重大挑战。找到真正的量子算法是相当困难的,许多量子算法,如Shor素数因子分解或相位估计,需要非常长的电路深度的任何实际应用,需要纠错。机器学习可以作为一种系统方法来对量子计算机进行非算法编程。量子机器学习使我们能够在不将算法分解为门构建块的情况下执行计算,从而消除了这一困难的步骤,并可能降低不必要的复杂性。此外,我们已经证明,我们的机器学习方法对噪声和退相干都具有鲁棒性,这对于在固有噪声的NISQ设备上运行是理想的,这些设备可用于纠错的量子位数有限。我们证明了这一点,使用一个基本的非经典计算,实验估计一个未知的量子态的纠缠。由此得到的结果已成功移植到IBM硬件上,并使用一种功能强大的混合强化学习技术进行训练,该技术是一种改进的Levenberg Marquardt LM方法。LM方法非常适合量子机器学习,因为它只需要知道量子计算的最终测量输出,而不需要知道通常不可访问的中间量子态。由于它同时处理所有的学习数据,因此它对量子硬件的要求也大大减少。机器学习通过模拟结果进行演示,并在IBM Qiskit硬件接口上运行。
2022-12-01 quant-ph
Dynamic learning of pairwise and three-way entanglement
在以前的工作中,我们已经开发了一个动态学习范式,用于“编程”通用量子计算机。使用学习算法来找到耦合量子位系统的一组参数,使得系统在初始时间演变到给定测量导致期望计算值的状态。这可以被认为是量子神经网络(QNN)。在这里,我们将我们的方法应用于三个量子比特的系统,并演示了训练量子计算机来估计两两和三路纠缠。
2011-06-21 quant-ph
Utilizing classical programming principles in the Intel Quantum SDK: implementation of quantum lattice Boltzmann method
本文在英特尔量子SDK中运用模块化等经典编程原则实现量子格子玻尔兹曼方法,通过状态向量模拟器验证并设计电路优化策略,为后续在量子硬件上执行奠定基础。
2024-07-05 quant-ph
Validating Quantum-Classical Programming Models with Tensor Network Simulations
混合量子-经典算法和编程模型在有噪声的近期量子硬件上的探索已经开始。由于混合程序的规模对经典的棘手性,验证和基准测试是至关重要的理解混合计算模型的效用。在本文中,我们展示了一个新开发的量子线路模拟器的基础上张量网络理论,使中间规模的验证和验证的混合量子经典计算框架和编程模型。我们提出了我们的张量网络量子虚拟机(TNQVM)模拟器,它以压缩(因子分解)形式存储多量子位波函数作为矩阵乘积状态,从而实现更大量子位寄存器的单节点模拟,与蛮力状态矢量模拟器相比。我们的模拟器被设计为在张量网络形式和用于运行模拟的经典硬件(多核,GPU,分布式)中都是可扩展的。TNQVM模拟器相对于模拟硬件类型的可扩展性经由用于不同数值后端的可插拔接口(例如,ITensor和ExaTENSOR数值库)。我们证明了我们的TNQVM量子线路模拟器的效用,通过验证的随机化量子线路和变分量子本征求解器算法,都表示在极限尺度ACCURATOR(XACC)编程模型。
2018-07-20 quant-ph
Classical Concepts in Quantum Programming
计算机技术的快速发展伴随着软件开发的相应演变,从硬连线组件和二进制机器代码到高级编程语言,这使得能够掌握不断增加的硬件复杂性并充分发挥其潜力。本文研究了如何在量子计算中使用硬件抽象、层次程序、数据类型、内存管理、控制流和结构化编程等经典概念。实验语言QCL将作为一个例子,如何不可逆的功能,局部变量和条件分支,没有直接的量子对应物,可以实现的元素,以及如何非经典的功能,如可逆性的幺正变换或非观测性的量子态可以在一个过程编程语言的框架内。
2003-04-29 quant-ph
MultiQ: Multi-Programming Neutral Atom Quantum Architectures
Technical University of Munich(慕尼黑工业大学)
MultiQ通过多编程技术提升中性原子QPUs的吞吐量和硬件利用率,实现多个量子电路的协同执行。
2026-01-15 quant-ph
Unifying Approach to Software and Hardware Design for Scientific Calculations
本文讨论了由幂等数学思想产生的一种统一的软硬件设计方法。描述了算法、程序和硬件单元的所谓幂等对应原理。基于这种方法的软件项目。关键词:通用算法,幂等微积分,软件设计,硬件设计,面向对象程序设计
2001-02-09 quant-ph
Hybrid Programming for Near-term Quantum Computing Systems
最近涉及量子处理单元(QPU)的计算已经证明了混合经典量子编程,编译,执行以及验证和验证所固有的一系列挑战。尽管取得了相当大的进展,但系统级噪声,有限的低级指令集,远程访问模型以及整体缺乏可移植性和经典集成,提出了必须克服的近期编程挑战,以便实现可靠的科学量子计算并支持强大的硬件基准测试。在这项工作中,我们借鉴我们在编程QPU的经验,以确定共同的问题和挑战,并详细介绍了在当前的混合经典-量子计算范例中减轻这些挑战的最佳实践。在此讨论之后,我们将介绍XACC量子编译和执行框架,作为一种与硬件和语言无关的解决方案,可以解决许多混合编程挑战。XACC支持可扩展的方法,用于跨日益多样化的QPU集管理各种编程、编译和执行问题。我们使用最近的核物理模拟来说明该框架如何减轻编程,编译和执行挑战,并管理QPU增强的科学应用程序中存在的复杂工作流程。最后,我们编纂的混合科学计算工作流程,以确定未来需要改进的关键领域。
2018-05-23 quant-ph
Quingo: A Programming Framework for Heterogeneous Quantum-Classical Computing with NISQ Features
噪声中尺度量子(NISQ)系统的控制复杂性不断增加,强调了将量子硬件与量子软件集成的必要性。在将异构量子经典计算(HQCC)算法映射到NISQ硬件上执行时,我们观察到量子编程语言(QPL)中的一些不满意之处,包括难以映射到硬件,表达能力有限以及违反直觉的代码。此外,有噪声的量子比特需要重复进行量子实验,这些实验明确地操作低级配置,例如操作的脉冲和定时。该要求超出了大多数现有QPL的范围或能力。我们总结了三种执行模型来描述现有QPL的量子经典相互作用。基于改进的HQCC模型,我们提出了Quingo框架来集成和管理量子经典软件和硬件,以提供HQCC应用程序的可编程性,并将其映射到NISQ硬件。我们提出了一个六阶段的量子程序生命周期模型匹配的改进HQCC模型,这是由一个运行时系统实现。我们还提出了Quingo编程语言,这是一种外部特定领域的语言,突出了基于定时器的定时控制和不透明操作定义,可用于描述量子实验。我们相信,Quingo框架有助于澄清未来HQC CC系统设计中的关键技术。
2021-08-07 cs.PL quant-ph
Programming a Topological Quantum Computer
拓扑量子计算最近被证明是一个强大的计算模型时,构建可行的架构,大规模计算。拓扑模型是从纠错码的基础上构建的,需要纠正大规模量子设备将存在的不可避免的硬件故障。它也是一种基于测量的量子计算模型,这意味着量子硬件只负责构建一个大的、计算上通用的量子态。然后策略性地消耗该量子态,从而允许实现完全纠错的量子算法。量子硬件所需的物理量子位的数量和实现算法所需的时间量由消耗该通用量子态的方式决定。在本文中,我们研究的拓扑格的算法优化的问题,并介绍所需的元素,将需要设计一个经典的软件包编译和实现大规模的拓扑量子计算机上的算法时。
2012-09-07 quant-ph
On the Problem of Programming Quantum Computers
我们研究量子计算机的物理实现对其逻辑运算的影响。通过对量子计算机硬件物理模型的仿真,分析了量子计算机物理实现编程中遇到的困难。我们讨论了量子算法不稳定性的起源,并探讨了扩大稳定操作区域的物理机制。
2000-09-27 quant-ph
Enabling Multi-programming Mechanism for Quantum Computing in the NISQ Era
NISQ设备有几个物理限制和不可避免的噪声量子操作,只有小电路可以在量子机器上执行以获得可靠的结果。这导致量子硬件利用不足的问题。在这里,我们解决了这个问题,并通过提出一个量子多程序设计器(QuMC)来同时在量子硬件上执行多个量子电路,从而提高量子硬件的吞吐量。这种方法还可以减少电路的总运行时间。我们首先引入一个并行管理器来选择一个适当数量的电路在同一时间执行。其次,我们提出了两种不同的量子比特划分算法来分配可靠的分区到多个电路-贪婪和启发式。第三,我们使用同步随机基准测试协议来表征串扰特性,并在量子比特划分过程中考虑它们,以避免同时执行时的串扰效应。最后,我们加强映射转换算法,使电路可执行的硬件使用插入门的数量减少。我们通过在IBM量子硬件上同时执行不同大小的电路来演示我们的QuMC方法的性能。我们还研究了这种方法在VQE算法,以减少其开销。
2023-02-10 cs.AR quant-ph
isQ: Towards a Practical Software Stack for Quantum Programming
本文提出量子编程软件栈 isQ,其命令式语言及编译器支持递归等特性,可编译为多种中间表示,并对接真实超导硬件与 QIR 模拟器,旨在让程序员更便捷地编写量子程序。
2023-11-21 quant-ph
SHARE: Secure Hardware Allocation and Resource Efficiency in Quantum Systems
本文提出COMDAP及Secure COMDAP方法,通过基于社区的动态分区与分配策略优化多租户量子系统的硬件利用率,并缓解串扰与故障注入风险,实现硬件利用率平均提升23%。
2024-05-01 quant-ph
Optimal qubit assignment and routing via integer programming
我们考虑的问题映射到一个给定的硬件有限的两个量子比特连接的逻辑量子线路。我们将此问题建模为整数线性规划,使用包含量子位初始分配及其路由的二进制变量的网络流公式。我们考虑了几个成本函数:近似的电路的保真度,其总深度,和串扰的措施,所有这些都可以被纳入模型。对合成数据和不同硬件拓扑结构的数值实验表明,错误率和深度可以同时优化,而不会有显着的损失。我们在大量的量子体积电路上测试我们的算法,优化错误率和深度;与Qiskit的默认转译器SABRE相比,我们的算法显着减少了hocTs的数量,并产生了在硬件上执行时表现出更高保真度的电路。
2021-07-26 math.OC quant-ph
Enhancing Quantum Algorithms for Quadratic Unconstrained Binary Optimization via Integer Programming
本文针对二次无约束二值优化提出一种结合线性规划松弛与量子计算的混合启发式方法,通过缩减问题规模适配有限量子硬件,并改进 QAOA 参数估计,在真实量子硬件上验证了有效性。
2024-04-26 quant-ph
Programming physical realizations of quantum computers
我们研究量子计算机的物理实现对其逻辑运算的影响。通过对量子计算机硬件物理模型的仿真,分析了量子计算机物理实现编程中遇到的困难。受控非操作和Grover的数据库搜索算法的逻辑上相同的实现的例子被用来证明量子计算的结果相对于量子计算机的物理实现是不稳定的。我们讨论了这些不稳定性的起源,并讨论了克服这一点的可能性,实际上,量子计算机的基本限制。
2001-04-18 quant-ph
$Q|SI\rangle$: A Quantum Programming Environment
介绍了一个量子程序设计环境$Q|SI\rangle$。它是一个嵌入.Net语言的平台,支持使用$\mathbf{while}$语言的量子扩展进行量子编程。该平台的框架包括一个量子$\mathbf{while}$语言的编译器和一套用于模拟量子计算、优化量子线路以及分析和验证量子程序的工具。在整个文件中,使用$Q|SI\rangle$模拟量子行为的经典平台与组件的组合进行了演示。可扩展的框架允许用户在平台上编程定制功能。编译器是$Q|SI\rangle$的核心,它在量子硬件和量子软件之间架起了一座桥梁。内置的分解算法使通用的量子计算在现有的量子硬件上。
2017-10-26 cs.PL quant-ph
Qibosoq: an open-source framework for quantum circuit RFSoC programming
本文提出开源服务器端软件包Qibosoq,通过连接Qick固件与Qibo中间件,简化在RFSoC上执行脉冲序列的复杂性,实现将量子电路算法无缝部署至自托管量子硬件平台。
2025-04-26 quant-ph
Adiabatic Quantum Programming: Minor Embedding With Hard Faults
绝热量子编程定义了量子算法到底层硬件或逻辑结构的时间依赖映射。关键的一步是将特定问题的信息嵌入量子逻辑结构。我们提出了将绝热量子优化算法的任意实例嵌入到专门单位单元的正方形晶格中的算法。这些方法随着结构的增长而扩展,同时在时间上线性扩展,在占用空间上二次扩展。我们还提供了用于处理硬故障的逻辑结构,而不调用近似原来的问题的方法,并说明其多功能性,通过数值研究的嵌入性与故障率在正方形格子的完整的二分单位细胞。研究表明,这些算法比朴素的嵌入方法更能适应错误的结构,这一特性在现有错误硬件上的绝热量子优化算法的基准测试中应该是有用的。
2012-11-07 math.CO quant-ph
An Abstraction Hierarchy Toward Productive Quantum Programming
本文提出量子编程的抽象层级,通过变分算法与相位估计两种方式求解特征值估计问题,强调整体性思考对量子软件工程进展的关键作用。
2024-05-22 quant-ph
Developing Programming Assignments for Teaching Quantum Computing and Quantum Programming
本研究介绍了多种用于实践式量子计算教学的编程作业,可帮助学习者掌握量子软件开发全流程的实操技能。
2023-12-15 physics.ed-ph quant-ph
Supervised quantum gate "teaching" for quantum hardware design
University College London(伦敦大学学院);Max-Planck-Institut für Quantenoptik(马克斯·普朗克量子光学研究所)
我们展示了如何训练成对相互作用的量子比特的量子网络,使得其演化实现目标量子算法到给定的网络子集。我们的策略受到监督学习的启发,旨在帮助物理构建一个量子计算机,它可以在最小的外部经典控制下运行。
2016-07-20 cs.LG quant-ph stat.ML
QCOR: A Language Extension Specification for the Heterogeneous Quantum-Classical Model of Computation
量子计算是一种新兴的计算范式,它利用量子力学的定律来执行基本的逻辑运算。现有的量子计算编程模型在设计时考虑了容错硬件,设想了独立的应用程序。然而,近期的量子计算机容易受到噪声的影响,这限制了它们的独立实用性。为了更好地利用有噪声的量子设备的有限计算强度,已经提出了混合算法,由此量子计算机以异构方式与它们的经典对应物一起使用。这种{ \it工作方式}需要一种编程模型和一种高级程序设计语言,在单一源代码范例中原生地无缝支持异构量子经典硬件架构。由于缺乏这样的模型,我们引入了一个语言扩展规范,称为QCOR,使单源量子经典编程。使用QCOR库和基于指令的语言扩展编写的程序可以编译为功能混合二进制可执行文件。在定义了QCOR的编程模型、内存模型和执行模型之后,我们讨论了QCOR如何实现变分、迭代和前馈量子计算。QCOR以与硬件无关的异构方式实现量子经典计算,并努力构建高性能计算(HPC)的最佳实践。开发语言中的高抽象级别旨在加速熟悉经典HPC的研究人员采用量子计算。
2019-09-05 cs.PL quant-ph
DYNAMO: Dynamic Neutral Atom Multi-programming Optimizer Towards Quantum Operating Systems
DYNAMO通过并行编译和跨QPU智能资源分配在中性原子量子架构上实现多程序,解决了资源划分和调度冲突问题,编译加速高达14.39倍,执行阶段平均减少50.47%,为实用量子操作系统奠定基础。
2025-07-07 cs.ET quant-ph
Constraint programming models for depth-optimal qubit assignment and SWAP-based routing
针对量子比特分配与路由问题,提出约束规划(CP)模型,经随机实例验证,在线性和二维网格拓扑下的电路深度最小化任务中,其求解质量与运行时间均优于现有整数线性规划(ILP)模型。
2023-06-14 math.OC quant-ph
Qrisp: A Framework for Compilable High-Level Programming of Gate-Based Quantum Computers
针对量子计算高级编程抽象不足的问题,提出Qrisp框架,通过经典范式启发的编程抽象实现可编译至电路级的量子编程,提升编译效率并降低量子资源需求。
2024-06-20 cs.PL quant-ph
Integer Programming from Quantum Annealing and Open Quantum Systems
虽然量子计算为经典方法无法实现的计算问题提出了有希望的解决方案,但由于当前的硬件限制,大多数量子算法还不能计算实际相关的系统,而经典算法优于它们。为了实际受益于量子架构,人们必须识别具有有利缩放的问题和算法,并根据可用硬件改进相应的限制。出于这个原因,我们开发了一种算法,解决整数线性规划问题,一个经典的NP-困难的问题,在量子退火,并调查问题和硬件特定的限制。这项工作提出了如何映射ILP问题的退火架构的形式主义,如何系统地提高计算利用优化的退火时间表,并通过模拟退火过程的模型。它说明了退相干和多体局域化的最小支配集问题的影响,并比较退火结果对量子体系结构的数值模拟。我们发现,该算法优于随机猜测,但仅限于小问题,退火时间表可以调整,以减少退相干的影响。模拟定性再现算法改进的修改后的退火时间表,表明改进的起源于量子效应。
2020-09-24 cond-mat.other hep-lat quant-ph
MCBeth: A Measurement Based Quantum Programming Language
基于门的量子程序设计语言无处不在,但基于测量的语言目前只存在于纸上。这项工作介绍了MCBeth,量子程序设计语言,它允许程序员直接表示,编程和模拟基于测量和集群状态计算的测量演算的基础上。虽然MCBeth程序旨在直接在硬件上执行,但为了利用当前的机器,我们还提供了一个编译器来编译基于门的指令。我们认为,与基于门的量子计算相比,基于测量的量子计算在实现常见的量子算法和分布式量子计算方面具有明显的优势。
2022-06-25 cs.PL quant-ph
OpenQL : A Portable Quantum Programming Framework for Quantum Accelerators
随着量子算法解决棘手的经典问题的潜力,量子计算正在迅速发展,更多的算法正在开发和优化。使用高级语言表达这些量子算法,并使其在量子处理器上可执行,同时抽象出硬件细节是一项具有挑战性的任务。首先,量子编程语言应该提供一个直观的编程接口来描述这些算法。然后,编译器必须将程序转换为量子线路,优化它并将其映射到目标量子处理器,以考虑硬件约束,例如支持的量子操作,量子位连接性和控制电子器件限制。在本文中,我们提出了一个名为OpenQL的量子编程框架,它包括一个高级量子编程语言及其相关的量子编译器。我们介绍了OpenQL的编程接口,我们描述了编译器的不同层,以及我们如何在不同的量子位技术上提供可移植性。我们的实验表明,OpenQL允许在两种不同的量子比特技术上执行相同的高级算法,即超导量子比特和Si-Spin量子比特。除了可执行代码外,OpenQL还生成一个中间量子汇编代码(cQASM),它与技术无关,可以使用QX模拟器进行模拟。
2020-05-27 cs.PL cs.SE quant-ph
QCoder Benchmark: Bridging Language Generation and Quantum Hardware through Simulator-Based Feedback
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST)(国家先进工业科学与技术研究院);Yokohama National University(Yokohama国立大学);CyberAgent, Inc.(CyberAgent公司);DENSO CORPORATION(DENSO公司);The University of Tokyo(东京大学);Keio University(庆应义塾大学);NTT DATA GROUP Corporation(NTT DATA集团公司);Miletos inc.(Miletos公司);University of Tsukuba(筑波大学)
针对量子编程中 LLM 与硬件交互的空白,提出基于模拟器反馈的 QCoder Benchmark,通过领域指标与真实竞赛代码评估模型,实验表明推理模型 o3 准确率达 78%,远超 GPT-4o 与人类平均水平。
2025-11-01 cs.CL cs.PL quant-ph
Programming Quantum Computers Using Design Automation
量子硬件的最新发展表明,具有超过50个物理量子位的系统是可以实现的。在这种规模下,经典模拟将不再可行,并且这种量子设备有可能在某些任务中甚至超过经典超级计算机。随着量子比特数和相干时间的快速增长,量子程序编译的挑战越来越困难。这需要将量子算法的高级描述转换为可以由量子设备执行的硬件特定的低级操作。由于缺乏有效的方法,计算的某些部分仍然可以手动执行。这反过来可能导致设计差距,这将阻止量子计算机的编程。在本文中,我们讨论了全自动量子编译中的挑战。我们激励未来的研究方向,以应对这些挑战。然而,利用今天存在的算法和方法,我们演示了如何自动执行从算法到物理量子计算机的量子编程流程,用于简单的算法基准,即隐藏移位问题。我们提出并使用两个工具流调用RevKit。一个是基于ProjectQ的,目标是IBM Quantum Experience或本地模拟器,另一个是基于微软的量子编程语言Q $\#$。
2018-03-02 cs.ET quant-ph
GUPPY: Pythonic Quantum-Classical Programming
本文介绍 Guppy,一种嵌入 Python 的领域特定语言,用于以 Pythonic 语法编写高级混合量子程序,支持复杂控制流,并可在真实量子硬件上运行。
2025-10-14 cs.PL cs.SE quant-ph
Transformations for accelerator-based quantum circuit simulation in Haskell
为了有效的量子线路的硬件加速模拟,我们可以定义特定于硬件的量子线路变换。我们使用函数式编程方法来创建一个量子电路分析和转换方法在Haskell中实现。这个工具是我们更大的量子计算模拟工具链的关键部分。作为硬件加速的一个例子,我们讨论了基于FPGA的模拟选定的量子算术电路,包括转换步骤,以优化硬件利用率。基于Haskell的分析和转换工具的未来发展步骤进行了概述。所描述的工具链可以在GitHub上找到:https://github.com/DevdudeSami/fqt。
2022-10-23 cs.PL quant-ph
Topological Quantum Programming in TED-K
虽然可扩展量子计算的实现可以说需要拓扑稳定化,以及拓扑硬件感知的量子编程和拓扑量子线路验证,但这些策略的适当组合到专用拓扑量子编程语言中尚未受到关注。在这里,我们描述了一个基本的和自然的计划,我们正在开发的,类型的功能(因此可验证)拓扑量子编程,这是拓扑硬件意识-在它原生地反映了普遍的精细技术细节的拓扑q位,即保护(或增强)拓扑有序的Laughlin型任意子基态在拓扑阶段的量子材料。是什么让这个工作是:(1)我们最近的结果是,现实的和技术上可行的任意子种类-即su(2)-任意子,如流行的Majorana/Ising任意子,以及计算上通用的Fibonacci任意子-的波函数反映在主体材料晶体轨道中余维= 2节点缺陷的配置空间的扭曲等变微分(TED)K上同调中;(2)结合我们先前的观察,这种轨道上的TED广义上同调理论解释了内聚同伦类型理论(HoTT)中直觉依赖的线性数据类型,支持模态量子逻辑的强大现代形式。在这篇简短的笔记中,我们给出了基本思想的阐述,对潜在结果的快速回顾,以及通过TED-K在内聚HoTT中进行任意子编织的基本语言结构的简要说明。该语言系统正在阿布扎比纽约大学研究所的"量子和拓扑系统中心"开发。
2022-09-17 math.AT quant-ph
QAgent: An LLM-based Multi-Agent System for Autonomous OpenQASM programming
Zhenxiao Fu1, Lei Jiang1, Yilun Xu2, Gang Huang2, Fan Chen1(作者1、作者2、作者3、作者4、作者5)
研究针对OpenQASM编程挑战提出QAgent,它是基于大语言模型的多智能体系统,集成规划、合成和校准工作流程,利用检索增强生成及多智能体推理确保正确性,在多模型评估中表现出色,证明集成对可靠量子程序生成很关键。
2026-07-13 cs.AI cs.ET quant-ph
Exploring Non-Linear Programming Formulations in QuantumCircuitOpt for Optimal Circuit Design
本文探索将QuantumCircuitOpt中的非线性约束整数变量松弛为连续非线性规划模型,并展示多项增强使平均运行时间加速高达11.3倍,为研究基于梯度的NLP求解器行为提供新机会。
2023-10-27 cs.SY eess.SY quant-ph