Cove: A Practical Quantum Computer Programming Framework
虽然还没有商业存在，量子计算机有能力解决某些类别的问题，这些问题在现有的基于图灵机的（经典）计算机上无法有效解决。要使量子计算机发挥作用，必须存在对其进行编程的方法。目前存在对量子计算机进行编程的提议，但所有现有的量子计算机都存在缺陷，使得它们在商业软件开发环境中不切实际。Cove是一个用于编程量子计算机的框架，它扩展了现有的经典语言以允许量子计算，从而为商业软件开发人员提供了一个量子计算工具包。由于Cove的目标用户是商业开发人员，因此它是一个面向对象的框架，可用于多种语言，并强调完整的文档。Cove的重点并不是软件产品，而是使量子计算对普通开发人员实用的基本概念。
2009-11-12 cs.PL quant-ph
Lecture Notes: Programming Quantum Computers
量子计算是一种新兴的计算机技术。当前的量子计算设备正处于开发阶段，它们正逐渐变得适合于小型的现实世界应用。本讲座致力于编程这种量子计算设备的实际方面。这些课堂讲稿的第一部分集中在基于门的量子计算机的编程上，第二部分展示了如何对量子退火器进行编程。
2022-01-06 physics.comp-ph quant-ph
Multi-programming Cross Platform Benchmarking for Quantum Computing Hardware
随着量子硬件技术的快速发展，对量子计算机性能进行基准测试变得很有吸引力。在本文中，我们提出了一个新的量子计算机基准测试方面，通过使用多编程机制评估硬件利用率的限制-一种在量子机器中同时执行多个电路的技术。这是第一次尝试比较的评价多编程的离子和超导设备。基于实验结果，在捕获离子设备上执行多程序设计比超导机器表现出更好的结果，而不会失去任何保真度独立执行。
2022-06-07 quant-ph
Separation of gates in quantum parallel programming
当前量子计算机中的量子比特数量是其更广泛应用的主要限制。为了解决这个问题，Ying设想使用两个或多个小容量量子计算机通过量子并行编程产生更大容量的量子计算系统（[M. S. Ying，Morgan-Kaufmann，2016]）。这样做的主要障碍是将整个电路中的量子门分开，以产生局部门的张量积。本文从理论上分析了有限维和无限维系统中多体量子门可分离的充分必要条件。然后，我们使用QSI软件在IBM量子计算机上使用n量子位量子门进行分离实验。
2021-10-28 quant-ph
Programming the full stack of an open-access quantum computer
我们提出了一种名为“Quala”的新量子编程语言，它可以实现量子硬件的真正全栈编程。Quala允许无缝集成抽象层，如数字电路层和模拟控制脉冲波形层。此外，该语言支持用户发布的低级硬件指令，如FPGA操作。中间电路测量和分支决策逻辑支持实时、自适应程序。这种灵活性允许用户为从量子纠错到模拟量子模拟的任何东西编写代码。面向用户的校准数据库和强大的符号代数框架相结合，为用户提供了前所未有的表现力和透明度。我们显示的语言结构的显着特点，并描述了如何随行的编译器可以翻译程序编写的任何抽象层精确定时的硬件命令。我们打算让这种语言在电路级编程和实际硬件上的物理操作之间架起一座桥梁，同时保持堆栈每个级别的完全透明性。这消除了对“幕后”编译的需要，并为用户提供了对日常校准例程的深入了解。
2021-06-11 quant-ph
Programming Complex Systems
经典的编程语言无法对复杂系统的基本元素（如真随机数生成）进行建模。本文开发了一种正式的编程语言，称为Q-Q演算，解决了复杂系统的基本属性。这种形式语言允许量子化算法的表达，量子化算法是随机化算法的扩展，因为概率可以是负的，事件可以抵消。量子化算法的强大功能的一个例证是有效解决可满足性问题的能力，许多人认为这超出了经典计算机的能力。本文证明了可满足性演算不仅可以求解可满足性问题，而且可以模拟诸如量子计算机这样的复杂系统。由于可满足性被认为超出了量子计算机的能力，因此量子计算可能严格地更强。
1997-10-15 quant-ph
Classical and Quantum Data Interaction in Programming Languages: A Runtime Architecture
我们提出了一个运行时架构，可用于量子编程语言及其编程环境的开发。所提出的运行时架构能够在经典数据和量子数据之间进行动态交互，遵循量子计算机在云中作为批处理计算机可用的限制，在其执行期间不与经典计算机进行交互。这是通过将量子代码生成留给运行时并引入量子测量的未来概念来完成的。当在量子编程语言中实现时，这些策略旨在促进量子应用程序的开发，特别是对于初学者和学生。该运行时架构适用于当前的噪声中尺度量子计算机，也适用于仿真和未来的容错量子计算机。
2020-05-29 cs.PL quant-ph
Playing Dice with the Universe: Programming Quantum Computers to Play Traditional Games
University of Victoria（维多利亚大学）；Flatiron Institute（平研究所）
利用量子计算机编程玩传统游戏，通过隐式表示所有可能路径来识别最优策略，无需硬编码或机器学习策略。
2026-07-28 cs.ET 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
Programming Quantum Computers with Large Language Models
本研究首次评估未经定制的公开大语言模型（ChatGPT/GPT-4）编写量子电路的能力，发现其在IBM超导量子比特设备上的表现明显优于Xanadu光子设备。
2025-06-22 quant-ph
A non-algorithmic approach to "programming" quantum computers via machine learning
实现宏观量子计算的主要障碍仍然存在：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造。找到真正的量子算法是相当困难的，许多真正的量子算法，如Shor的素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，这需要纠错。相比之下，我们证明了机器学习可以作为一种系统的方法来构建算法，也就是说，非算法地“编程”量子计算机。量子机器学习使我们能够执行计算，而无需将算法分解为门“构建块”，从而消除了这一困难的步骤，并通过简化和减少不必要的复杂性来提高效率。此外，我们的非算法机器学习方法对噪声和去相干都具有鲁棒性，这对于在固有噪声的NISQ设备上运行是理想的，这些设备在可用于纠错的量子位数方面受到限制。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。结果已成功移植到IBM硬件，并使用混合强化学习方法进行训练。
2020-07-16 quant-ph
Qiskit Pulse: Programming Quantum Computers Through the Cloud with Pulses
量子线路模型是一种抽象，它隐藏了量子计算机上门和测量的底层物理实现。为了精确控制真实的量子硬件，需要执行脉冲和读出级指令的能力。为此，我们介绍Qiskit脉冲，脉冲级编程范式实现Qiskit-Terra \cite{Qiskit}内的一个模块。为了展示Qiskit Pulse的功能，我们使用IBM Quantum系统上的一对量子位来校准交叉共振纠缠门的无回声和回声变体，该系统可通过云访问。我们进行哈密顿特性的单脉冲和双脉冲的交叉共振纠缠门的变化幅度上基于云的IBM量子系统。然后，我们通过对量子位应用前和后局部旋转，将这些校准的序列转换为高保真CNOT门，分别针对未回波和回波实现$F=0.981$和$F=0.979$的平均门精度。这与$F_{CX}=0.984$的标准后端CNOT保真度相当。此外，为了说明用户如何在读出链的不同级别访问他们的结果，我们构建了一个自定义的数据库来研究量子位读出相关性。Qiskit Pulse允许用户探索先进的控制方案，如最优控制理论、动态解耦和电路模型中无法使用的误差缓解。
2020-04-14 quant-ph
Programming a quantum computer with quantum instructions
用于定义程序的指令和指令操作的输入数据之间的等效性是经典计算机体系结构和编程的基本原则。用量子态取代经典数据使得从根本上讲新的计算能力具有许多应用的缩放优势，并且已经提出了许多模型来实现量子计算。然而，在这些模型中的每一个模型中，量子数据都是由一组仅使用经典信息编译的门来转换的。因此，传统的量子计算模型打破了指令-数据对称性：经典指令和量子数据不能直接互换。在这项工作中，我们使用一个密度矩阵的幂协议来执行量子指令的量子数据。在该方法中，经典定义的门的固定序列执行唯一地取决于辅助量子指令状态的操作。我们的演示依赖于使用两个可调超导transmon量子位实现的99.7%保真度控制相位门，这使得在电路深度超过70时算法保真度超过90%。量子指令的使用避免了昂贵的层析成像状态重建和重新编译的需要，从而使广泛的算法，包括量子主成分分析，纠缠光谱的测量和通用量子仿真的指数加速。
2020-12-28 quant-ph
Piquasso: A Photonic Quantum Computer Simulation Software Platform
该研究推出全栈开源光子量子计算机仿真编程平台Piquasso，支持Python接口与C++后端实现高效仿真，搭配网页图形界面辅助电路设计与结果可视化，助力光子量子计算开发。
2025-03-30 quant-ph
Mixed-Integer Programming Using a Bosonic Quantum Computer
本研究提出将混合整数规划问题的玻色量子计算方案，将问题转化为qumodes基态制备问题，通过光量子计算机模拟绝热演化求解多类小型非凸优化问题。
2022-06-07 cs.DS math.OC quant-ph
Experimental pairwise entanglement estimation for an N-qubit system :A machine learning approach for programming quantum hardware
设计和实现大中型量子计算机的算法并不容易。在以前的工作中，我们已经提出并发展了使用机器学习技术来训练量子系统的想法，使得所需的过程被“学习”，从而避免了算法设计的困难。这对于小型系统来说非常有效。但目标是宏观物理计算。在这里，我们实现了我们的学习成对纠缠见证微软的Q#，一个商业上可用的门模型量子计算机模拟器，我们进行统计分析，以确定可靠性和可重复性，我们表明，使用机器学习技术称为“自举”，我们可以推断出模式介观N从模拟结果为三，四，五，六，七量子比特系统。我们的研究结果为通用量子计算机算法的设计和计算提供了一条富有成效的途径。
2019-04-22 quant-ph
Innovative Approaches to Teaching Quantum Computer Programming and Quantum Software Engineering
本文提出芬兰和西班牙大学讲师开发的量子计算教学创新策略，整合Docker、Qiskit、PennyLane和Ocean SDK等工具，通过从量子力学基础到动手实验的课程设计，解决量子编程教学难题。
2024-12-29 cs.SE physics.ed-ph 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
The Problem of Dynamic Programming on a Quantum Computer
讨论了量子计算机上的有限时域动态规划问题。我们介绍了一个查询模型，用于研究量子和经典算法解决DP问题，并提供了例如Oracle结构的旅行售货员问题，最小集覆盖问题，编辑距离问题。我们制定开放的问题，二次量子加速DP和讨论其影响。然后，我们证明了量子算法和经典的随机算法DP的查询复杂度的下界，并表明，没有比二次加速可以实现解决DP问题。
2021-07-29 cs.DS math.OC quant-ph
QuCloud+: A Holistic Qubit Mapping Scheme for Single/Multi-programming on 2D/3D NISQ Quantum Computers
量子比特映射对于量子计算的保真度和量子计算机的资源利用率至关重要。然而，现有的量子比特映射方案遇到了一些挑战（例如，串扰、SWAP开销、不同的设备拓扑等），导致量子位资源利用不足、高出错率和计算结果的低保真度。本文介绍了QuCloud+，一种能够应对这些挑战的新量子比特映射方案。QuCloud+有几个新的设计。(1)QuCloud+在具有2D/3D拓扑的量子芯片上实现多编程量子计算。(2)该算法利用串扰感知社区发现技术对并发量子程序的物理量子位进行划分，并根据量子位的度进一步分配量子位，提高了保真度和资源利用率。(3)QuCloud+包含X-SWAP机制，可避免具有高串扰错误的SWAP，并支持程序间SWAP以减少SWAP开销。(4)QuCloud+基于最佳实践的估计保真度来调度要映射和执行的并发量子程序。QuCloud+在保真度上比之前在各种设备上的多编程工作高出6.84%，并在映射转换期间节省了40.9%的额外门。
2022-07-29 cs.AR quant-ph
Quantum Simulation Programming via Typing
本文提出QBLUE，一种基于二次量子化哈密顿量和新型类型系统的量子模拟编程语言，支持在数字和模拟量子计算机上编译，便于用户建模量子系统。
2025-09-25 cs.PL quant-ph
Monotonicity of the quantum linear programming bound
目前已知的最强大的技术限制量子码的大小的规定的最小距离是量子线性规划界。与经典的线性规划界不同，如果量子线性规划的约束对于维数K是可满足的，那么这些约束对于所有较低的维数都可以满足，这一点并不明显。我们证明了量子线性规划界在这个意义上确实是单调的，并给出了一个显式单调的重新表述。
1998-02-27 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
Notes on Deterministic Programming of Quantum Observables and Channels
我们研究了量子线路的确定性可编程性的局限性，例如，量子计算机更准确地说，我们分析了通过量子万用表的量子可观测量和信道的编程。我们表明，任何两个不同的尖锐的观测值的编程向量必然是正交的，只要后处理是不允许的。然后，该结果直接意味着任何两个不同的酉信道也需要正交的规划向量。该方法推广了Nielsen和Chuang首先证明的著名正交性结果。此外，我们给出了一个有效的量子规划中的一个的大小界限。
2015-05-13 quant-ph
Quantum multi-programming for Grover's search
本文提出一种用于 Grover 搜索的量子多程序编程算法，通过部分扩散算子分解并并行执行电路，增大旋转角以提高成功概率，实验证明其优于标准 Grover 算法及其他变体。
2022-12-18 quant-ph
Qubit Sensing: A New Attack Model for Multi-programming Quantum Computing
有噪声的量子计算机遭受读出或测量误差。这是一个经典的位翻转错误，由于状态“1”被读出为“0”，反之亦然。读出错误的概率显示出状态依赖性，即，状态“1”的翻转概率可不同于状态“0”的翻转概率。此外，概率显示了量子比特之间的相关性。当两个程序在同一台量子计算机上同时运行时，这些状态相关的错误概率在对手输出上引入了受害者输出的签名。这可以被利用来检测可能包含敏感信息的受害者输出。在本文中，我们系统地表明，这种读出错误相关的签名存在，对手可以使用这样的签名来推断用户输出。我们在3台公共IBM量子计算机上进行了实验验证。使用詹森-香农距离（JSD）的统计推断的措施，我们表明，我们的方法确定受害者输出的准确性为96%的真实硬件。我们还提出了随机输出翻转作为一个轻量级的，但有效的对策，以挫败这种信息泄漏攻击。我们的分析表明，该对策在保真度方面会产生0.05%的轻微惩罚。
2021-04-13 quant-ph
QParallel: Explicit Parallelism for Programming Quantum Computers
提出用于并行量子编程的语言扩展QParallel，通过防止编译器引入抑制并行性的依赖关系来消除并行歧义并支持时空权衡研究，基于Q#实现原型并引入工具指导并行区域放置，提升量子程序性能。
2022-10-07 cs.ET quant-ph
Efficient quantum programming using EASE gates on a trapped-ion quantum computer
传统计算中的并行运算已被证明是高效和实用计算的重要工具，对于量子计算来说也不例外。实际上，存在大量的研究量子门的并行实现对于高效的量子线路实现的优点的工作。在这里，我们专注于最近发明的有效的，任意的，同时纠缠（EASE）门，可在捕获离子量子计算机。利用其灵活性，在选择任意对的量子位耦合到任何程度的纠缠，所有的并行，我们显示了一个$n$ -量子位克利福德电路可以使用$6\log(n)$ EASE门实现，一个$n$ -量子位乘法控制的非门可以使用$3n/2$ EASE门实现，和一个$n$ -量子位置换可以使用六个EASE门实现。我们讨论了它们对近期量子化学模拟和最先进的模式匹配算法的影响。如果Clifford +乘控非门构成了量子计算的通用门集，那么我们的结果意味着一般情况下EASE门是有效的量子计算.
2022-01-24 cs.ET quant-ph
Extending the OmpSs-2 Programming Model for Hybrid Quantum-Classical Programming
本研究扩展OmpSs-2编程模型以支持量子计算机卸载，通过修改Clang编译器和Nanos6运行时，并开发网络模拟器，用四个示例验证了混合量子-经典编程的可行性。
2025-02-28 cs.ET 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
A New Qubits Mapping Mechanism for Multi-programming Quantum Computing
对于特定的量子芯片，多重编程有助于提高整体吞吐量和资源利用率。然而，先前用于将多个程序映射到量子芯片上的解决方案常常导致资源利用不足、高出错率和低保真度。在本文中，我们提出了一种新的方法来映射并发量子程序。我们的方法有三个关键组成部分。第一种是社区发现辅助划分（CDAP）算法，该算法综合考虑物理类型和出错率，为并发量子程序划分物理量子位，避免了健壮资源的浪费。第二个是X-SWAP方案，该方案允许程序间SWAP操作以减少SWAP开销。最后，我们提出了一个编译任务调度框架，该框架根据估计的保真度动态选择要执行的并发量子程序，从而提高量子计算机的吞吐量。我们评估了我们在公开可用的量子计算机IBMQ 16和模拟量子芯片IBMQ 20上的工作。我们的工作优于以前的解决方案，多编程的保真度和交换开销分别为12.0%和11.1%。
2020-04-27 cs.DC quant-ph
QuECT: A New Quantum Programming Paradigm
量子计算构成了计算机科学的一个迅速扩展的子领域。有效的量子编程语言的可用性促进了量子算法的开发，文献中已经提出了大量的方法，从基于GUI的简单工具到精心设计的独立编程语言。在本文中，我们提出了一种新的范例称为量子嵌入电路技术（QuECT），允许程序员嵌入一个电路图在一个经典的“主机”语言。该范式可以在任何现代古典语言中实现。作者使用Java开发了一个原型。
2011-04-04 cs.PL quant-ph
Quantum Predicative Programming
这项工作的主题是量子预测编程--研究在量子计算机上执行的程序的开发。我们在程序开发的正式方法或编程方法论的背景下看待编程。我们的工作是基于概率预测编程，最近概括的良好的预测编程。它支持程序开发的风格，其中每个编程步骤都被证明是正确的。我们继承了该理论的优点，如它的通用性，递归程序的简单处理，时间和空间的复杂性，和通信。我们的量子编程理论提供了编写经典和量子规范的工具，开发实现这些规范的量子程序，并在同一框架中推理它们的相对时间和空间复杂性。
2006-02-17 cs.PL quant-ph
Optimal Stochastic Resource Allocation for Distributed Quantum Computing
随着互联量子计算机的出现，即，分布式量子计算（DQC），多个量子计算机现在可以通过量子网络进行协作，以执行大规模复杂的计算任务。然而，DQC面临着共享量子信息的问题，因为它不能在量子计算机之间克隆或复制。由于先进的量子力学，量子计算机可以在量子网络中传送量子信息。然而，有效利用量子资源的挑战，例如，量子计算机和量子信道由于它们的能力和性质（诸如不确定的量子比特保真度和量子信道噪声）而出现在DQC中。在本文中，我们提出了一个资源分配计划的DQC基于随机规划，以最小化的总部署成本的量子资源。从本质上讲，两阶段随机规划模型是为了处理量子网络中量子计算需求、计算能力和保真度的不确定性而制定的。性能评估证明了所提出的方案的有效性和能力，以平衡量子计算机和按需量子计算机的利用率，同时最大限度地减少不确定性下的供应的总成本。
2022-09-16 cs.DC quant-ph
A Programming Language For Quantum Oracle Construction
许多量子程序需要电路进行加法、减法和逻辑运算。这些电路可以封装在称为预言机的例程中。然而，使用当前的框架编写Oracle代码可能会很繁琐。为了解决这个问题，作者开发了高级Oracle描述语言（HODL）-一种用于量子计算机的C风格编程语言-以简化此类电路的创建。编译器翻译用HODL编写的高级代码，并将其转换为OpenQASM，OpenQASM是一种基于门的量子汇编语言，可在IBM Quantum Systems和兼容的模拟器上运行。
2021-10-24 cs.PL quant-ph
Models of quantum computation and quantum programming languages
本文的目的是介绍量子信息论中使用的基本计算模型。我们回顾了量子图灵机、量子电路和量子随机存取机（QRAM）的各种模型以及它们的经典对应物。我们还介绍了量子程序设计语言，这是使用QRAM模型开发的。我们回顾了几种现有的量子程序设计语言的语法，并讨论了它们的特点和局限性。
2011-12-03 cs.PL quant-ph
Quantum Control Machine: The Limits of Control Flow in Quantum Programming
本文分析了量子计算机上控制流抽象的实现极限，证明无法直接提升经典条件跳转，并提出 quantum control machine 指令集架构，以充分必要条件支持用量子程序计数器替代逻辑门正确表达控制流。
2024-03-26 cs.AR cs.PL quant-ph
Quantum Recursive Programming with Quantum Case Statements
本文提出利用量子 case 语句递归定义大型酉变换的量子递归程序设计方案，定义配套语言与形式语义，并通过示例展示其可优雅表达量子算法。
2023-11-03 cs.LO cs.PL quant-ph
