Una guida per principianti alla programmazione dei computer quantistici

La guida copre i fondamenti, insieme a un riepilogo dei principali algoritmi quantistici e istruzioni su come implementarli su computer quantistici pubblicamente disponibili

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Nonostante che i computer quantistici cominciano a diffondersi e  a diventare più ampiamente disponibili, gli aspiranti programmatori quantistici nontrovano indicazioni su come iniziare nel campo. Una nuova guida per principianti offre un’introduzione completa agli algoritmi quantistici e alla loro implementazione sull’hardware esistente.

Scrivere algoritmi quantistici è radicalmente diverso dalla scrittura di programmi informatici classici e richiede una certa comprensione dei principi quantistici e della matematica dietro di essi“, spiega Andrey Y. Lokhov, scienziato del Los Alamos National Laboratory e autore principale della guida recentemente pubblicata in ACM Transactions on Quantum ComputingLa nostra guida aiuta i programmatori quantistici a iniziare nel campo, che è destinato a crescere man mano che i computer quantistici con sempre più qubit si diffonderanno diventando sempre più comuni“.

Il libro esamina 20 algoritmi quantistici in parti brevi e autonome e include algoritmi quantistici fondamentali noti come l’algoritmo di Grover per la ricerca nel database e molto altro e l’algoritmo di Shor per la fattorizzazione di interi. Il tutorial insegna quindi ai programmatori come implementare gli algoritmi su diversi computer quantistici, incluso il computer quantistico IBMQX4 a 5 qubit disponibile pubblicamente di IBM, per stabilire la connessione con il mondo reale.

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Gli autori esaminano i risultati dell’implementazione e chiariscono le differenze tra il simulatore e le reali esecuzioni dell’hardware. “Questo articolo è stato il risultato di uno sforzo di risposta rapida da parte dell’Information Science and Technology Institute di Los Alamos, in cui circa 20 membri del personale del Lab si sono autoselezionati per conoscere e implementare un algoritmo quantistico standard sul sistema quantistico IBM Q“, afferma Stephan Eidenbenz, uno scienziato senior di informatica quantistica a Los Alamos, coautore dell’articolo e direttore dell’ISTI quando sono iniziati i lavori.

Secondo Eidenbenz, l’articolo era destinato a formare i dipendenti che avevano poca o nessuna formazione con l’informatica quantistica per implementare un algoritmo quantistico su un computer quantistico del mondo reale al fine di preparare la forza lavoro di Los Alamos per l’era quantistica.

Questi membri dello staff, oltre ad alcuni studenti ed esperti quantistici consolidati, costituiscono la lunga lista di autori di questo articolo di panoramica “proveniente dalla folla” che è già stato ampiamente citato.

Prima di passare agli argomenti più complessi di trasformazioni unitarie e porte, circuiti quantistici e algoritmi quantistici, la prima sezione della guida spiega i fondamenti della programmazione di un computer quantistico, inclusi qubit e sistemi di qubit, sovrapposizione, entanglement e misurazioni quantistiche.

La sezione sul computer quantistico IBM copre l’insieme di porte disponibili per gli algoritmi, le porte fisiche effettive implementate, il modo in cui i qubit sono collegati e le fonti di rumore o errori.

Un’altra sezione esamina i vari tipi di algoritmi quantistici. Da lì, la guida si tuffa nei 20 algoritmi selezionati, con una definizione del problema, una descrizione e i passaggi per implementarli su IBM o, in alcuni casi, su altri computer.



Ampi riferimenti alla fine della guida aiuteranno i lettori interessati ad approfondire le loro esplorazioni degli algoritmi quantistici.

Lo studio è stato finanziato dall’Information Science and Technology Institute del Los Alamos National Laboratory attraverso il programma Laboratory Directed Research and Development.

Riferimento: “Quantum Algorithm Implementations for Beginners” di Abhijith J., Adetokunbo Adedoyin, John Ambrosiano, Petr Anisimov, William Casper, Gopinath Chennupati, Carleton Coffrin, Hristo Djidjev, David Gunter, Satish Karra, Nathan Lemons, Shizeng Lin, Alexander Malyzhenkov, David Mascarenas, Susan Mniszewski, Balu Nadiga, Daniel O’malley, Diane Oyen, Scott Pakin, Lakshman Prasad, Randy Roberts, Phillip Romero, Nandakishore Santhi, Nikolai Sinitsyn, Pieter J. Swart, James G. Wendelberger, Boram Yoon, Richard Zamora , Wei Zhu, Stephan Eidenbenz, Andreas Bärtschi, Patrick J. Coles, Marc Vuffray e Andrey Y. Lokhov, 7 luglio 2022, ACM Transactions on Quantum Computing.
DOI: 10.1145/3517340