Квантовое программное обеспечение: обзор языков и инструментов для разработчиков

Автор: Бахмат М.

Повышенный интерес к квантовым вычислениям отражается и на рынке квантового программного обеспечения: ожидается, что к 2029 году его объем вырастет до $1.44 млрд, ежегодно прирастая на 23,2% по данным The Business Research Company. В то же время эволюция квантового аппаратного обеспечения требует еще более совершенного ПО и программных для полного раскрытия его возможностей. Мы подготовили краткий обзор специализированного квантового ПО, которое требуется для разработки и выполнения алгоритмов на квантовых компьютерах. Ниже мы расскажем о том, что такое квантовые языки программирования, квантовый компилятор и какие библиотеки чаще всего будут использовать специалисты в квантовом программировании.

• Многоуровневый стек квантового ПО: от кубитов до приложений
  • Как работает квантовый стек на практике
  • Архитектура стека по уровням
• Библиотеки квантового программирования
• Инновационные модели и среды программирования
  • Serverless-модели и оптимизированные среды
  • Специализированные платформы
  • Инструменты коррекции ошибок
• Почему стоит инвестировать в квантовое ПО сегодня
• Самое важное о квантовом программном обеспечении

Многоуровневый стек квантового ПО: от кубитов до приложений

Основная роль квантового программного обеспечения заключает в том, что оно позволяет разрабатывать, выполнять и эффективно управлять алгоритмами на квантовых компьютерах. То есть квантовое ПО переводит сложную теоретическую квантовую механику в практические квантовые приложения и обеспечивает гибридные вычисления.

Стек квантового программного обеспечения представляет собой сложную, многоуровневую архитектуру. Понимание этого стека необходимо для любого, кто начинает свой путь в квантовое программирование.

Как работает квантовый стек на практике

Представьте, что разработчик хочет создать алгоритм поиска в неструктурированной базе данных. Вот как задача проходит через все уровни стека:

• Уровень 1. Квантовые языки программирования. Разработчик пишет код на Q# или использует библиотеку Qiskit, создавая квантовую схему с операциями Хадамара для создания суперпозиции состояний кубитов.
• Уровень 2. Квантовый компилятор. Он переводит высокоуровневые операции (например, H(qubit) для создания суперпозиции) в последовательность микроволновых импульсов определенной частоты и длительности.
• Уровень 3. Квантовое управление. Физические сигналы точно контролируют состояние кубитов – микроволновый импульс длительностью 20 наносекунд переводит кубит из состояния |0⟩ в суперпозицию (|0⟩ + |1⟩)/√2.
• Уровень 4. Коррекция ошибок. Система постоянно мониторит и обеспечивает квантовую коррекцию ошибок, которые возникают каждые 100 микросекунд из-за декогеренции.

Архитектура стека по уровням

В общем случае она включает в себя такие элементы:

• Квантовые языки программирования: специализированные языки, созданные для квантовых вычислений (например, Q#, Silq).
• Архитектуры набора квантовых инструкций: интерфейс, обеспечивающий связь между программным обеспечением и квантовым оборудованием.
• Квантовый компилятор: инструмент, который переводит высокоуровневый квантовый код в конкретные инструкции, необходимые для квантовых процессоров.
• Квантовые операционные системы: системы, предназначенные для управления квантовыми ресурсами и эффективной организации операций.
• Механизмы коррекции ошибок: критически важны для смягчения врожденной хрупкости кубитов и их восприимчивости к шуму.
• Квантовое управление (Quantum Control): фундаментальный компонент, включающий точное манипулирование кубитами с помощью внешних полей (микроволн, лазеров). Оптимальное управление необходимо для достижения высокой производительности алгоритмов и масштабирования в условиях применения квантовых компьютеров.

Библиотеки квантового программирования

Чтобы квантовый программист мог создавать и запускать квантовые схемы, используются библиотеки с открытым исходным кодом. Они отличаются от классических библиотек, которые манипулируют двоичными битами (0 или 1), в то время как квантовые разработаны специально для взаимодействия с кубитами. Кубиты используют квантовые явления, такие как суперпозиция и запутанность, что позволяет им одновременно находиться в нескольких состояниях и параллельно обрабатывать огромные объемы данных. Самые популярные квантовые библиотеки — Cirq и Qiskit. 

Cirq (разработка Google Quantum AI). Мощный фреймворк с открытым исходным кодом, специально разработанный для создания, управления и оптимизации квантовых схем. Он предоставляет критически важные инструменты для работы с зашумленными квантовыми компьютерами промежуточного масштаба (NISQ), позволяя исследователям экспериментировать и продвигать квантовые алгоритмы.

Qiskit (разработка IBM). Часто называют «инструментарием для полезных квантовых вычислений». Облегчает квантовую разработку, предлагая модули для составления программ, их выполнения на реальном квантовом оборудовании или симуляторах и анализа результатов.

Проведенные IBM более 1000 тестов показали, что Qiskit лидирует по производительности среди самых популярных библиотек для разработки квантового ПО. Достижения в цифрах: Qiskit в 13 раз быстрее в транспиляции и создании схем с использованием на 24% меньше двухкубитных вентилей, чем TKET, второй по производительности SDK.

По данным опроса, проведенного Unitary Fund, уже более 78% квантовых разработчиков используют Jupyter Notebooks для работы с этими двумя библиотеками. Другие, менее популярные инструменты квантовой экосистемы, включают PennyLane (поддерживает интеграцию с TensorFlow и PyTorch), Microsoft Q# (поддерживает интеграцию с .NET через Azure Quantum) и Amazon Braket SDK (облачная платформа для работы с квантовыми процессорами).

Инновационные модели и среды программирования

Современные квантовые задачи требуют постоянного взаимодействия между квантовыми и классическими вычислениями. Поэтому появляются принципиально новые среды программирования, которые упрощают создание гибридных приложений.

Serverless-модели и оптимизированные среды

Автоматизация управления ресурсами освобождает разработчиков от настройки инфраструктуры. Они могут сосредоточиться на создании квантовых алгоритмов, в то время как система будет самостоятельно управлять выделением квантовых и классических ресурсов. Это критически важно для практического применения, поскольку гибридные квантово-классические алгоритмы требуют сложной координации между различными типами вычислений.

• Quantum Serverless от IBM автоматизирует управление гибридными рабочими нагрузками, включая circuit knitting (разбиение больших схем на подсхемы) и динамическое распределение между квантовыми и классическими ресурсами.
• Qiskit Runtime демонстрирует до 120x ускорения благодаря co-location принципу – размещению классических вычислений рядом с квантовым оборудованием.

Специализированные платформы

Это облачные решения, которые дают доступ к квантовому оборудованию без собственной инфраструктуры. Они решают главную проблему квантового программирования — доступ к реальному квантовому оборудованию. Компании могут экспериментировать с квантовыми алгоритмами и запускать их на различных типах квантовых процессоров через простой API, не инвестируя миллионы в собственные квантовые системы.

• Google Quantum AI Cirq Pasqal — облачная платформа для нейтральных атомов с аналоговым квантовым моделированием до 1000 атомов.
• Amazon Braket Hybrid Jobs — managed-сервис для вариационных квантовых алгоритмов с автоматическим управлением гиперпараметрами.
• Microsoft Azure Quantum Elements — интеграция с AI Copilot для автогенерации квантового кода.

Инструменты коррекции ошибок

В этой категории представлено специализированное ПО для работы с главной проблемой квантовых компьютеров — квантовыми ошибками. Квантовые состояния крайне хрупки и подвержены ошибкам из-за взаимодействия с окружающей средой. Эти инструменты позволяют моделировать, тестировать и реализовывать схемы квантовой коррекции ошибок — фундаментальную технологию для создания надежных квантовых компьютеров будущего.

• Stim — симулятор стабилизаторных схем для миллионов кубитов в поверхностных кодах.
• Crumble — визуальный редактор схем квантовой коррекции.
• OpenQASM 3.0 — новый стандарт с поддержкой классических вычислений в реальном времени.

Эти инновации формируют переход от экспериментального квантового программирования к промышленному развертыванию решений.

Почему стоит инвестировать в квантовое ПО сегодня

Для бизнеса проактивное понимание и использование стека квантового программного обеспечения — это не футуристическое начинание, а обеспечение конкурентного преимущества на завтра. Перспективы квантовых вычислений очевидны уже сегодня, но до реализации этой технологии в масштабе необходимо пройти определенный путь.

• Решение сложных проблем. Решения, усиленные квантовыми вычислениями, могут справиться с задачами, которые в настоящее время недоступны классическим компьютерам. Это особенно актуально для квантового машинного обучения, где анализ сложных паттернов в больших данных может привести к прорывам.
• Подготовка к будущему. Раннее внедрение решений на базе квантового ИИ, обусловленное инновациями в программном обеспечении, обеспечивает компаниям долгосрочный успех по мере созревания технологии.
• Взаимное усиление ИИ и квантовых вычислений. Квантовые системы расширят возможности ИИ, а ИИ, в свою очередь, играет решающую роль в оптимизации квантовых алгоритмов. Это можно назвать взаимным «танцем» между «квантом для ИИ» и «ИИ для кванта».

Chief Operating Officer Colobridge, Андрей Михайленко: 

«Многие наши клиенты воспринимают квантовые компьютеры как нечто абстрактное и недоступное. Но именно программное обеспечение делает эту сложную технологию осязаемой. Библиотеки, такие как Qiskit и Cirq, и облачные платформы стирают барьер для входа. Сегодня любая компания может начать экспериментировать с квантовыми алгоритмами, не строя собственный дата-центр. Понимание этих инструментов — это первый шаг для бизнеса, который хочет исследовать квантовое машинное обучение или задачи оптимизации. Наша роль как инфраструктурного партнера — обеспечить стабильную и безопасную гибридную среду, где классические и квантовые рабочие нагрузки могут эффективно взаимодействовать для решения реальных задач».

Самое важное о квантовом программном обеспечении

• Квантовое ПО переводит квантовую механику в практические бизнес-приложения.
• Рынок квантового программного обеспечения достигнет $1.44 млрд к 2029 году.
• Qiskit от IBM — лидер по производительности среди библиотек для квантового ПО.
• Более 78% квантовых разработчиков используют Jupyter Notebooks.
• Serverless-модели обеспечивают до 120x ускорения благодаря близости к квантовому оборудованию.
• 65% компаний планируют внедрить гибридные системы в ближайшие 2-3 года.
• Облачные платформы исключают миллионные инвестиции в собственное квантовое оборудование.

Ваша IT-инфраструктура готова к технологиям будущего? Colobridge уже сегодня помогает создавать надежные инфраструктурные решения для инновационных проектов. Узнайте, кое решение подойдет именно вашему бизнесу — напишите нашим менеджерам и получите развернутую консультацию.