今天分享的是人工智能系列深度研究報(bào)告：《人工智能專題：量子匯編語言和量子中間表示發(fā)展白皮書》。

（報(bào)告出品方：量子信息網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟）

報(bào)告共計(jì)：78頁文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-828940.html

量子計(jì)算與量子編程概述

隨著社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展，人們對(duì)高性能計(jì)算提出了更高的要求面對(duì)摩爾定律的逐漸失效，科學(xué)家和工程師正全力研究發(fā)展新的計(jì)算技術(shù)，推動(dòng)算力發(fā)展。量子計(jì)算以量子比特為基本計(jì)算單元，利用量子疊加等原理實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算，能在某些計(jì)算困難問題上提供指數(shù)級(jí)加速，是未來計(jì)算能力實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展的重要方向。

當(dāng)前，量子計(jì)算正處于發(fā)展初期階段，超導(dǎo)、離子阱、中性原子、光量子、半導(dǎo)體等多種硬件處理器平臺(tái)并行發(fā)展，開放競(jìng)爭(zhēng),技術(shù)路線尚未收斂。隨著量子計(jì)算硬件平臺(tái)逐漸進(jìn)入具有百位量子比特的中規(guī)模含噪聲量子(Noisy Intermediate-Scale Quantum，NISQ處理器時(shí)代，基于NISQ樣機(jī)開展應(yīng)用研究探索已成為產(chǎn)業(yè)界和行業(yè)用戶的共同目標(biāo)。近年來，量子計(jì)算應(yīng)用聚焦組合優(yōu)化、量子擬、量子人工智能等多類問題展開探索。量子組合優(yōu)化通過利用量子算法在大量可能方案中更高效準(zhǔn)確的找到最佳方案，具體可用于金融投資組合、金融衍生品定價(jià)、物流優(yōu)化、旅行商問題等問題。量子模擬運(yùn)用人工可控的量子系統(tǒng)模擬另外一個(gè)量子系統(tǒng)的性質(zhì)和演化規(guī)律，應(yīng)用范圍涵蓋基礎(chǔ)物理研究、生命科學(xué)、制藥、化工等多個(gè)領(lǐng)域。量子人工智能將量子計(jì)算與人工智能相結(jié)合，在處理大數(shù)據(jù)模型時(shí)具備潛在的加速優(yōu)勢(shì)，有望在機(jī)器學(xué)習(xí)、自然語言處理、大數(shù)據(jù)分析等問題中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用價(jià)值。

量子應(yīng)用在量子計(jì)算機(jī)上的執(zhí)行需要借助特定的量子算法來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前，實(shí)現(xiàn)量子算法的一種主要的方式是數(shù)字量子計(jì)算(Digital Quantum Computing)，它與基于數(shù)字邏輯門的經(jīng)典計(jì)算機(jī)類似，根據(jù)具體的量子芯片處理器底層架構(gòu)，構(gòu)建了一套通用量子邏輯門操作(簡(jiǎn)稱為“量子門”)?？梢宰C明，特定的量子門集合能夠滿足圖靈完備性，可以完成通用的量子計(jì)算任務(wù)。量子計(jì)算機(jī)在執(zhí)行量子算法之后，返回的是量子態(tài)。為了獲得具體的量子態(tài)信息我們還需要執(zhí)行量子測(cè)量操作。根據(jù)量子力學(xué)基本原理，測(cè)量后的量子態(tài)會(huì)發(fā)生塌縮，單次測(cè)量會(huì)得到確定的狀態(tài)輸出。通過重復(fù)制備相同的量子態(tài)，進(jìn)行多次測(cè)量，可以統(tǒng)計(jì)出不同狀態(tài)的概率，獲得更具體的量子態(tài)信息。量子計(jì)算機(jī)的輸出結(jié)果通常是不同量子態(tài)的概率。常見的量子門和量子測(cè)量門圖標(biāo)如圖1所示!?；诹孔娱T和量子測(cè)量門的集合，按照特定的順序進(jìn)行編排，可以構(gòu)建出量子線路，實(shí)現(xiàn)一些常見的通用量子算法，如Deutsch算法、Shor算法和Grover 算法等。

在 NISO階段，量子計(jì)算機(jī)端到端解決問題的能力還較弱。在量子測(cè)量得到結(jié)果之后，利用經(jīng)典計(jì)算機(jī)根據(jù)測(cè)量結(jié)果更新量子計(jì)算機(jī)所需要運(yùn)行的量子線路，然后再繼續(xù)利用量子計(jì)算機(jī)得到量子測(cè)量結(jié)果。這種利用經(jīng)典計(jì)算機(jī)來輔助量子計(jì)算機(jī)，進(jìn)行迭代計(jì)算的模式叫做經(jīng)典-量子混合計(jì)算，這類算法通常被稱為變分量子算法:可以應(yīng)用到量子化學(xué)模擬、量子組合優(yōu)化和量子機(jī)器學(xué)習(xí)等領(lǐng)域量子計(jì)算機(jī)是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算應(yīng)用的基石，其構(gòu)建涉及量子硬件平臺(tái)、量子軟件、量子算法等多項(xiàng)必備要素，其中量子軟件包括應(yīng)用開發(fā)軟件和量子計(jì)算編譯軟件兩大類。量子計(jì)算編譯軟件作為底層軟件，需要滿足量子計(jì)算的底層理論與算法邏輯，涵蓋量子匯編語言、量子中間表示等，特異性與專業(yè)性較強(qiáng)，目前處于設(shè)計(jì)開發(fā)與生態(tài)構(gòu)建的早期階段，是國內(nèi)外研究布局的重點(diǎn)。本文重點(diǎn)聚焦量子匯編語言和量子中間表示，調(diào)研當(dāng)前量子編程的發(fā)展現(xiàn)狀，并探討未來的發(fā)展方向。

量子計(jì)算機(jī)是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算應(yīng)用的基石，其構(gòu)建涉及量子硬件 平臺(tái)、量子軟件、量子算法等多項(xiàng)必備要素，其中量子軟件包括應(yīng) 用開發(fā)軟件和量子計(jì)算編譯軟件兩大類。量子計(jì)算編譯軟件作為底 層軟件，需要滿足量子計(jì)算的底層理論與算法邏輯，涵蓋量子匯編 語言、量子中間表示等，特異性與專業(yè)性較強(qiáng)，目前處于設(shè)計(jì)開發(fā) 與生態(tài)構(gòu)建的早期階段，是國內(nèi)外研究布局的重點(diǎn)。本文重點(diǎn)聚焦量子匯編語言和量子中間表示，調(diào)研當(dāng)前量子編程的發(fā)展現(xiàn)狀，并探討未來的發(fā)展方向。

量子計(jì)算機(jī)是一個(gè)綜合軟件和硬件的復(fù)雜系統(tǒng)，從量子應(yīng)用到量子硬件的過程，簡(jiǎn)單來說可以用下面的量子計(jì)算全棧系統(tǒng)圖來描述，如圖2所示。從圖中可以看到，量子編程是處于量子算法和量子硬件的中間層，是將量子計(jì)算的應(yīng)用成功在量子計(jì)算機(jī)上執(zhí)行的承上啟下的一個(gè)重要部分。

量子編程需要借助一些工具來實(shí)現(xiàn)，這個(gè)工具就是量子編程語言。參照量子編程語言在整個(gè)量子計(jì)算機(jī)全棧系統(tǒng)圖中所處的層次可以將量子編程語言分為如下幾類:高級(jí)量子程序設(shè)計(jì)語言(High-level Quantum Programming Language)、量子中間表示(QuantumIntermediate Representation，QR)和量子匯編語言(Quantum Assembly Language，QASM)。類比于經(jīng)典編程語言，高級(jí)量子程序設(shè)計(jì)語言是一種面向用戶的程序語言，開發(fā)者通過調(diào)用預(yù)制的量子算法庫和自定義算法，從而可以方便的實(shí)現(xiàn)自己的量子應(yīng)用。量子匯編語言則是更加貼近于量子硬件的編程語言，可以通過量子作系統(tǒng)直接調(diào)用底層量子指令。在當(dāng)前階段，量子編程語言和量子硬件仍然處在發(fā)展階段，人們可以直接通過高級(jí)量子程序設(shè)計(jì)語言來生成量子匯編語言，將量子匯編語言作為構(gòu)建編譯器的中間表示對(duì)于小規(guī)模的量子任務(wù)，人們也可以直接根據(jù)量子算法需求直接用量子匯編語言來編寫程序，并且在量子硬件上執(zhí)行。

報(bào)告共計(jì)：78頁

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