Kvanttiohjelmointi

Kvanttiohjelmointi on prosessi, jossa suunnitellaan tai kootaan käskysarjoja, joita kutsutaan kvanttipiireiksi. Prosessissa käytetään portteja, kytkimiä ja operaattoreita, joiden avulla manipuloidaan fysikaalista kvanttisysteemiä halutun lopputuloksen tai tietyn kokeen tulosten saavuttamiseksi.

IQM-yrityksen kvanttitietokone Espoossa.

Kvanttitietokoneita käytetään enimmäkseen erilaisten pilvipalveluiden kautta. Tämänkaltaisia pilvipalveluihin kytkettyjä kvanttitietokoneita tarjoaa mm. IBM:n Qiskit-ohjelmointiympäristö, jossa käytetään pääosin Python-ohjelmointikieltä. Samankaltaisia palveluita myydään mm. Microsoftin Azure-pilvipalvelussa, jossa voi käyttää Q#-ohjelmointikieltä. Muita kilpailevia palveluita ovat mm. Amazonin Braket ja Googlen Cirq.

Yksi vaihtoehto on simuloida ohjelmia binääritietokoneilla. Tämän kvanttisimulaattoriksi kutsutun lähestymistavan heikkous on se, että simuloitujen kubittimäärien kasvaessa ohjelman simulointiin vaadittava aika kasvaa eksponentiaalisesti klassisilla tietokoneilla.

Kvanttiohjelmointikielet voidaan jaotella kahteen osioon, imperatiivisiin ohjelmointikieliin ja funktionaalisiin ohjelmointikieliin. Esimerkkeinä ensimmäisestä ovat ohjelmointikielet QCL ja LanQ, toisesta taas QPL ja QML.

Kvanttitietokoneiden ohjelmoinnissa on varauduttava niiden rajoitteisiin, kuten epävakauteen ja virhealttiuteen. Tietokoneissa käytettävät kvanttialgoritmit soveltavat lineaarialgebraa ja todennäköisyyslaskentaa.

Kirjallisuutta

Oppikirjoja (englanniksi)

Kvanttiohjelmistotuotanto

• Mingsheng, Ying: Foundations of Quantum Programming. (Toinen, uudistettu laitos) Morgan Kaufmann; Elsevier, 2024. Finna.fi-tietokanta. (englanniksi)
• Serrano, Manuel A. & Pérez-Castillo, Ricardo & Piattini, Mario (toim.): Quantum Software Engineering. Springer Cham, 2022. doi:10.1007/978-3-031-05324-5 Finna.fi-tietokanta. (englanniksi)
• Exman, Iaakov — Pérez-Castillo, Ricardo — Piattini, Mario — Felderer, Michael (toim.): Quantum Software: Aspects of Theory and System Design. (Open Access) Springer Cham, 2024. doi:10.1007/978-3-031-64136-7 ISBN 978-3-031-64135-0 Teoksen verkkoversio (PDF). (englanniksi)

Kvanttiohjelmoinnista

• Hidary, Jack D.: Quantum Computing: An Applied Approach. (2. painos) Springer, 2021. doi:10.1007/978-3-030-83274-2 Finna.fi-tietokanta. (englanniksi)
• Johnston, Eric R. & Harrigan, Nic & Gimeno-Segovia, Mercedes: Programming Quantum Computers: Essential Algorithms and Code Samples. (1. painos) Sebastopol, Kalifornia: O'Reilly Media, 2019. Finna.fi-tietokanta. (englanniksi)
• Sharkey, Keeper & Chancé, Alain: Quantum Chemistry and Computing for the Curious: Illustrated with Python and Qiskit® code. Packt, 2022. ISBN 978-1-80324-390-0 Finna.fi-tietokanta. (englanniksi)
• Hundt, Robert: Quantum Computing for Programmers. (Toinen, uudistettu painos) Cambridge: Cambridge University Press, 2022. doi:10.1017/9781009099974 Kustantajan verkkosivut. (englanniksi)
• Mehta, Nihal: Quantum Computing: Program Next-Gen Computers for Hard, Real-World Applications. Pragmatic Bookshelf, 2020. Kustantajan verkkosivut. (englanniksi)
• Ganguly, Srinjoy & Cambier, Thomas: Quantum Computing with Silq Programming: Get up and running with quantum computing with the simplicity of this new high-level programming language. (1. painos) Packt Publishing, 2021. ISBN 978-1-80056-966-9 Finna.fi-tietokanta. (englanniksi)
• Kurgalin, Sergei & Borzunov, Sergei: Concise Guide to Quantum Computing: Algorithms, Exercises, and Implementations. Springer Cham, 2021. ISSN 1868-0941, E-ISSN 1868-095X, ISBN 978-3-030-65052-0 (E-kirja) doi:10.1007/978-3-030-65052-0 ISBN 978-3-030-65054-4 Finna.fi-tietokanta. (englanniksi)
• Bolívar, Nelson (toim.): Handbook of Quantum Computation. Arcler Press, 2018. ISBN 978-1-77361-101-3 Finna.fi-tietokanta. (englanniksi)
• Weaver, James & Harkins, Francis: Qiskit Pocket Guide: Quantum Development with Qiskit. (1. painos) O'Reilly Media, 2022. ISBN 9781098112479 Finna.fi-tietokanta. (englanniksi)
• Loredo, Robert: Learn Quantum Computing with Python and IBM Quantum: Write your own practical quantum programs with Python. (2., uudistettu painos) Packt Publishing, 2024. ISBN 9781803244808 (englanniksi)
• Marturano, Pierpaolo: Quantum Computing: A Developer's Guide. De Gruyter, 2024. ISBN 978-3-11-063675-8 (englanniksi)

Tutkimusta & raportteja

• Metsäpuro, Heikki: Kvanttiohjelmointi ja opetus: Kvanttiohjelmointi: opetus: opetustarjonta ja ohjelmoija. Tampereen yliopisto, 2023. Kandidaatin tutkielma (PDF).
• Haranko, Karri et al.: Kvanttitietokoneiden ohjelmointi ja käyttö. (Kandidaatin tutkielma) Aalto-yliopisto, 2016. Finna.fi-tietokanta.
• Liimatainen, Janne: Kvanttikoneohjelmointi. Jyväskylän yliopisto, 2016. Kandidaatin tutkielma (PDF).
• Talvivaara, Jarmo & Hatakka, Olli: Lisäarvoa tuottavien kvanttilaskentapalveluiden kartoitus ja esimerkkejä eri toimialueilla. (Tutkimusraportti) Karelia-ammattikorkeakoulu, 2023. Finna.fi-tietokanta (PDF).
• Heinonen, Henri: Katsaus kvanttilaskentateknologiaan ja sen sovelluksiin. (Tutkimusraportti) Jyväskylän yliopisto, 2021. Raportin verkkoversio (PDF).

Kvantti-informaatiotiede

Yleiset	Kvanttitietokone DiVincenzon kriteerit Kubitti Kvantti-informaatio Kvanttiohjelmointi Kvanttietokoneiden aikajana Kvanttilaskennan kehityslait Luettelo kvanttisuorittimista Kvanttilaskenta
Kvanttiviestintä	Kvanttisalaus Kvanttiteleportaatio Supertiheä koodi Kvanttivahvistinasema
Kvanttialgoritmit	Shorin algoritmi Kvanttifourier’n muunnos Groverin algoritmi Deutsch–Jozsa-algoritmi Simonin ongelma
Kvanttilaskennan monimutkaisuusteoria	Universaali kvanttitietokone Universaali kvanttisimulaattori
Kvanttilaskennan mallit	Kvanttipiiri Kvanttiportti Topologinen kvanttitietokone Adiabaattinen kvanttitietokone Kvanttikoneoppiminen Kontrafaktuaalinen kvanttilaskenta
Kvanttisuorittimien suorituskykyindikaattorit	Kvanttitilavuus
Dekoherenssin ennaltaehkäisy	Kvanttivirheenkorjaus
Fyysiset toteutustavat	Kvanttioptiikka Kaviteetti-QED Erittäin kylmät atomit Ioniloukku Hila Spin-pohjaiset Ydinmagneettinen resonanssi Suprajohteisiin perustuva Varauskubitti Vuokubitti Faasikubitti Transmon Unimon