量子比特编码：如何用量子计算机汇编语言编程 作者 | W. Wayt Gibbs译者 | Sambodhi策划 | 刘燕汇编语言是直接工作在硬件之上的最底层的编程语言。众所周知，计算机中所有的数据和指令都由 0 和 1 组成。在量子计算机中，也有类似于经典计算机中的汇编指令。量子汇编语言“Jaqal”由 美国桑迪亚国家实验室（Sandia National Laboratories）在其 QSCOUT 平台上开发。 QSCOUT 的离子阱（ion trap）利用电磁场来维持一条镱 -171 离子链，它的作用是充当量子比特。2 月推出的离子阱拥有 3 个量子比特，2021 年将升级到可容纳 10 个量子比特。程序命令激光器向离子发射紫外光脉冲，以控制它们的方向和量子状态。 可以说，在没有量子计算软件和硬件的情况下，量子计算还不算成熟。桑迪亚国家实验室位于美国新墨西哥州阿布奎基，该实验室进行一个开源量子计算机的项目，目的是通过定制的量子计算汇编语言来解决这一问题。 在接下来的几年里，物理学家 Susan Clark 和她在 Sandia 的团队计划利用来自美国能源部的 2500 万美元、为期 5 年的拨款，在他们的 QSCOUT 平台上运行世界各地的学术、商业和独立研究人员提供的代码，到 2023 年，该平台将从今天的 3 个量子比特稳步提升到 32 个量子比特。 QSCOUT 是量子科学计算开放用户试验台（Quantum Scientific Computing Open User Testbed）的缩写，它由电离镱原子组成，悬浮在真空室内。通过执行由该团队刚起步的量子汇编代码编写的算法，紫外线激光的闪烁让这些原子旋转—它们将其命名为 Just Another Quantum Assembly Language（意指“其他量子汇编语言”）或 JAQAL （他们已经用小写字母“aqal”注册了 Jaqal 的商标，因此所有后续引用都将使用该句柄）。 尽管谷歌、IBM 和其他一些公司已经建造了更大的量子机器，且开发出了他们自己的编程语言，但 Clark 表示，QSCOUT 给那些渴望探索这一计算机科学前沿的人们带来了一些好处。当然了，就像谷歌和 IBM 机器中的超导门（Superconducting gates）一样，它也很快速。但是它们也不稳定，并且在不到一秒钟的时间内就 失去相干性（coherence）和数据。 Clark 表示 QSCOUT 可以保持其计算的相干性，这得归功于类似于 IonQ 公司开发的离子捕捉技术（该公司已经做了 很好的解释）：“想想看，它就像是一个计算过程，相当于在长达 10 秒的时间里保留一个思路。“这是目前最好的，”Clark 说，“但我们的量子逻辑要慢一些。” 但，QSCOUT 的真正优势并不在于性能，而是它允许用户根据自己的意愿来控制计算机的操作，甚至向计算机的基本指令集架构中添加新的或修改过的操作。“QSCOUT 就像是一块面包板（免焊万用电路板），而公司提供的就像是印刷电路板。”领导 QSCOUT 软件团队的 Andrew Landahl 说。 一个真空室封闭了一个离子阱，保护单个离子免受可能改变其状态的热和电磁噪声源的影响，从而使量子处理器彻底有效。 “我们的用户是科学家，他们希望进行控制实验。”他说：“他们要求两个量子逻辑门同时发生，商用系统往往会优化用户的程序来改善它们的性能。”Clark 称，“但他们不会给你太多的细节来告诉你幕后的情况。”在早期，当如何最好地处理噪声、数据持久性和可扩展性等重大问题还很不清楚的时候，这时候有一个量子机器，其作用就是只是做你告诉它做的事情。 Landahl 说，为了实现这种精确性和灵活性的结合，他们创建了 Jaqal，其中包括将离子初始化为量子比特的命令，将它们单独或共同旋转到各种状态，将它们缠绕成叠加，然后以输出数据的形式读取最终状态。 任何 Jaqal 程序的第一行，例如： from qscout.v1.std usepulses * 载入一个逻辑门脉冲文件，它定义了标准操作（量子计算术语中的“量子门”）。这种方案可以轻松实现扩展性。Landahl 说，下一个版本将增加新的指令来支持 10 个以上的量子比特，还会增加新的功能。此外，他还说，用户甚至也可以编写自己的函数。 Clark 说，“愿望列表”中，一个在经典计算中理应具备的新特性是，能对进行中的计算进行局部测量，然后根据中间状态进行调整。在量子领域，由于量子比特的互连性（interconnectedness），这种局部测量方法很难实现，但实验人员已经证明这可以做到。 实用程序将量子操作与经典操作混合在一起，所以 QSCOUT 团队也在 Github 上发布了一个名为 JaqalPaq 的 Python 包，它提供了一个 Jaqal 模拟器，以及一些命令，其能将 Jaqal 代码作为对象包含在一个更大的 Python 程序里。 桑迪亚国家实验室在首批 15 个申请者中接受了前 5 个项目提案，其中大部分将针对其他量子计算机进行各种基准测试。但 Clark 表示：“其中有一支团队（由印第安纳大学布卢明顿分校（Indiana University, Bloomington）的 Phil Richerme 领导）通过研究特定分子的基础状态，正在解决小规模量子化学问题。” 在团队将机器从 3 个量子比特升级到 10 个量子比特之后，Clark 计划在 3 月份邀请第二轮提案。 Jaqal 编程语言输出“Hello World”Landahl 说，最简单的非平凡程序通常运行在一台新的量子计算机上，这种程序可以将 2 个量子比特纠缠到一个所谓的 贝尔态（Bell states）中，即经典的 0 和 1 二进制态的叠加态。在 Jaqal 文档 中，给出了一个 15 行程序的例子，它定义了两种教科书式的操作，执行这些指令以准备一个贝尔态，然后读取结果状态的两个量子比特的测量值。 但是，QSCOUT 作为一台离子阱计算机，支持一种名为 M?lmer-S?rensen 逻辑门 的精巧操作，提供了一种捷径。利用这一点，可以让下面的 6 行程序完成同样的任务，且可以重复 1024 次： register q[2] // Define a 2-qubit register Loop 1024 { // Sequential statements, repeated 1024x prepare_all // Prepare each qubit in the |0? state Sxx q[0] q[1] // Perform the M?lmer–S?rensen gate measure_all // Measure each qubit and output results } 原文链接： https://spectrum.ieee.org/tech-talk/computing/software/qscout-sandia-open-source-quantum-computer-and-jaqal-quantum-assembly-language 你也「在看」吗？??