Топ10 библиотек C для квантовых вычислений

#include "qiskit_c.h"
 
int main() {
    qk_circuit* circuit = qk_circuit_create(2, 2);
    
    // Применяем вентиль Адамара к первому кубиту
    qk_circuit_h(circuit, 0);
    
    // Применяем вентиль CNOT с контролем на первом кубите
    qk_circuit_cx(circuit, 0, 1);
    
    // Запуск на симуляторе
    qk_result* result = qk_execute(circuit, QK_BACKEND_SIMULATOR, 1024);
    
    // Освобождение ресурсов
    qk_circuit_destroy(circuit);
    qk_result_destroy(result);
    
    return 0;
}

// Настройка подключения к реальному устройству
qk_backend_config config;
config.token = "ваш_токен_IBM_Q";
config.device = "ibmq_manila";  // Конкретное устройство
config.shots = 4096;  // Количество измерений
 
qk_result* quantum_result = qk_execute_remote(circuit, &config);

// Создаем пакет из нескольких схем
qk_circuit_batch* batch = qk_batch_create();
 
// Добавляем схемы в пакет
qk_batch_add(batch, circuit1);
qk_batch_add(batch, circuit2);
qk_batch_add(batch, circuit3);
 
// Отправляем пакет на выполнение одним запросом
qk_batch_result* results = qk_execute_batch(batch, &config);

// Пример системы умного кэширования
typedef struct {
    uint64_t hash;  // Хеш квантовой схемы
    qk_result* result;  // Сохраненный результат
} cache_entry;
 
// Проверка наличия результата в кэше
bool check_cache(uint64_t circuit_hash, qk_result** cached_result) {
    // Реализация поиска в кэше
    // ...
    return found;
}

// Настройка параметров сетевого соединения
qk_network_config net_config;
net_config.timeout_ms = 30000;  // 30 секунд тайм-аут
net_config.retry_count = 3;     // Количество повторных попыток
net_config.concurrent_requests = 2;  // Количество одновременных запросов
 
// Применение настроек к конфигурации
config.network = net_config;

// Инициализация квантовой среды
QuESTEnv env = createQuESTEnv();
 
// Создание квантового регистра из 3 кубитов
Qureg qubits = createQureg(3, env);
 
// Применение квантовых вентилей
hadamard(qubits, 0);
controlledNot(qubits, 0, 1);
rotateY(qubits, 2, 0.5);
 
// Вычисление вероятностей результатов
qreal prob0 = getProbAmp(qubits, 0);
qreal prob1 = getProbAmp(qubits, 1);
 
// Освобождение ресурсов
destroyQureg(qubits, env);
destroyQuESTEnv(env);

// Создание смешанного состояния (матрицы плотности)
Qureg rho = createDensityQureg(3, env);
 
// Применение шумовой модели
mixDephasing(rho, 1, 0.01);  // Дефазировка на втором кубите с вероятностью 0.01
mixDepolarising(rho, 0, 0.005);  // Деполяризация на первом кубите

// Конфигурация числа потоков (можно задать вручную)
int num_threads = 8;
omp_set_num_threads(num_threads);
 
// Создание среды с поддержкой многопоточности
QuESTEnv env = createQuESTEnv();

// В этом случае инициализация происходит через MPI
int argc = 1;
char **argv;
QuESTEnv env = createQuESTEnv();
 
// Каждый узел работает только со своей частью вектора состояния
Qureg qubits = createQureg(30, env);  // 30 кубитов - огромная система!

// Использование высокой точности (требует компиляции с соответствующими флагами)
#define QuEST_PREC_DOUBLE  // или QuEST_PREC_QUAD для 128-бит

#include <quantum.h>
 
int main() {
    // Создаем квантовый регистр из 3 кубитов
    quantum_reg reg;
    reg = quantum_new_qureg(0, 3);
    
    // Применяем преобразование Адамара к первому кубиту
    quantum_hadamard(0, &reg);
    
    // Применяем CNOT между первым и вторым кубитами
    quantum_cnot(0, 1, &reg);
    
    // Измеряем второй кубит
    int result = quantum_measure(1, &reg);
    
    // Освобождаем память
    quantum_delete_qureg(&reg);
    
    return 0;
}

// Создаем суперпозицию всех базисных состояний
for(int i=0; i<3; i++) {
    quantum_hadamard(i, &reg);
}
 
// Применяем функцию к суперпозиции (параллельно во всех ветвях)
quantum_qft(3, &reg);

// Внутренняя структура для хранения ненулевых амплитуд
struct quantum_reg_node {
    COMPLEX_FLOAT amplitude;  // Амплитуда состояния
    MAX_UNSIGNED state;       // Битовое представление базисного состояния
};
 
struct quantum_reg_struct {
    int width;                // Количество кубитов
    int size;                 // Текущее количество ненулевых амплитуд
    int hashw;                // Ширина хеш-таблицы для быстрого доступа
    struct quantum_reg_node *node; // Массив ненулевых состояний
};

// Пример модифицированного кода декомпозиции
int *independent_groups = find_independent_qubit_groups(circuit, num_qubits);
 
// Выполняем симуляцию отдельных групп параллельно
#pragma omp parallel for
for (int i = 0; i < num_groups; i++) {
    quantum_simulate_subregister(i, independent_groups, &reg);
}

// Группировка данных для улучшения кеш-локальности
typedef struct {
    MAX_UNSIGNED *states;    // Состояния в одном кеш-блоке
    COMPLEX_FLOAT *amplitudes; // Соответствующие амплитуды
    int count;               // Количество состояний в блоке
} cache_friendly_block;

// Вентиль с множественным контролем
quantum_toffoli_ft(control_array, control_size, target, &reg);

// Инициализация XACC
xacc::Initialize();
 
// Получение квантового акселератора (бэкенда)
auto accelerator = xacc::getAccelerator("ibm");
 
// Создание квантовой программы (в данном случае на языке XASM)
auto program = xacc::getCompiler("xasm")->compile(R"(
.compiler xasm
.qbit q
.circuit bell
H(q[0]);
CNOT(q[0], q[1]);
Measure(q[0]);
Measure(q[1]);
)");
 
// Выполнение программы
auto buffer = xacc::qalloc(2);
accelerator->execute(buffer, program->getComposites()[0]);
 
// Получение результатов
buffer->print();
 
// Освобождение ресурсов
xacc::Finalize();

// Создание квантового буфера на 3 кубита
auto q_buffer = xacc::qalloc(3);
 
// Выполнение квантовой программы с использованием буфера
accelerator->execute(q_buffer, quantum_program);
 
// Доступ к результатам измерений
auto measurements = q_buffer->getMeasurementCounts();
for (auto& [bitstring, count] : measurements) {
    printf("Результат %s: %d раз\n", bitstring.c_str(), count);
}

// Ленивая инициализация в действии
auto lazy_buffer = xacc::qalloc_managed(20); // Запрашиваем 20 кубитов
// Но реальная память будет выделена только при первом обращении

// Инициализация MPI и XACC
int argc = 1;
char **argv;
MPI_Init(&argc, &argv);
xacc::Initialize();
 
// Получение ранга процесса и общего числа процессов
int rank, size;
MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD, &rank);
MPI_Comm_size(MPI_COMM_WORLD, &size);
 
// Создание буфера с учетом MPI-ранга
auto buffer = xacc::qalloc(num_qubits);
buffer->setMpiRank(rank);
buffer->setMpiSize(size);
 
// Распределенное выполнение квантовой программы
accelerator->execute(buffer, program);
 
// Сбор результатов со всех узлов
MPI_Barrier(MPI_COMM_WORLD);
if (rank == 0) {
    // Мастер-процесс собирает результаты
    for (int i = 1; i < size; i++) {
        auto remote_results = xacc::collectResults(i);
        // Слияние результатов
        buffer->appendMeasurements(remote_results);
    }
}
 
MPI_Finalize();

// Сохранение состояния квантового буфера в чекпоинт
buffer->persist("checkpoint_file");
 
// Восстановление из чекпоинта в другом запуске
auto restored_buffer = xacc::restoreBuffer("checkpoint_file");

// Инициализация квантового устройства
pl_device* dev = pl_device_init("default.qubit", "");
 
// Создание квантовой схемы
pl_circuit* circ = pl_circuit_new(2);  // 2 кубита
 
// Добавление операций
pl_circuit_add_op(circ, "Hadamard", (int[]){0}, 1, NULL, 0);
pl_circuit_add_op(circ, "CNOT", (int[]){0, 1}, 2, NULL, 0);
 
// Измерение ожидаемого значения оператора
pl_operator* obs = pl_operator_init("PauliZ", (int[]){0}, 1);
double result = pl_expectation(dev, circ, obs, NULL, 0);
 
// Освобождение ресурсов
pl_circuit_delete(circ);
pl_device_release(dev);
pl_operator_release(obs);

// Определение параметризованной схемы
pl_circuit* param_circ = pl_circuit_new(1);
pl_circuit_add_op(param_circ, "RX", (int[]){0}, 1, (double[]){0.0}, 1);  // 0.0 - начальное значение параметра
 
// Вычисление градиента по параметру
double* grad = pl_gradient(dev, param_circ, obs, (double[]){0.5}, 1);
printf("Градиент: %f\n", grad[0]);
free(grad);

// Определение структуры квантового слоя
typedef struct {
  pl_circuit* circuit;
  pl_device* device;
  pl_operator* observable;
  int num_params;
} quantum_layer;
 
// Функция прямого прохода квантового слоя
double forward(quantum_layer* layer, double* params) {
  return pl_expectation(layer->device, layer->circuit, 
                        layer->observable, params, layer->num_params);
}
 
// Функция обратного прохода (градиенты)
void backward(quantum_layer* layer, double* params, double* grad) {
  double* qgrad = pl_gradient(layer->device, layer->circuit, 
                             layer->observable, params, layer->num_params);
  memcpy(grad, qgrad, layer->num_params * sizeof(double));
  free(qgrad);
}

// Квантовый сверточный слой
pl_circuit* create_quantum_conv(int kernel_size, int channels) {
  pl_circuit* circ = pl_circuit_new(kernel_size * kernel_size);
  
  // Схема квантовой свертки
  for (int i = 0; i < kernel_size * kernel_size; i++) {
    pl_circuit_add_op(circ, "RY", (int[]){i}, 1, NULL, 1);
  }
  
  // Запутывающий слой
  for (int i = 0; i < kernel_size * kernel_size - 1; i++) {
    pl_circuit_add_op(circ, "CNOT", (int[]){i, i+1}, 2, NULL, 0);
  }
  
  return circ;
}

++
#include <cppsim/state.hpp>
#include <cppsim/circuit.hpp>
 
int main() {
    // Создаем квантовое состояние на 5 кубитах
    QuantumState state(5);
    state.set_zero_state();
    
    // Создаем квантовую схему
    QuantumCircuit circuit(5);
    
    // Добавляем квантовые вентили
    circuit.add_H_gate(0);
    circuit.add_CNOT_gate(0, 1);
    circuit.add_RX_gate(2, 0.5);
    circuit.add_merge_gate(3, 4, 0.1);
    
    // Выполняем схему
    circuit.update_quantum_state(&state);
    
    // Вычисляем вероятность измерения в базисном состоянии |00000⟩
    double prob = state.get_zero_probability();
    printf("Вероятность |00000⟩: %lf\n", prob);
    
    return 0;
}

++
// Параметризованная схема
ParametricQuantumCircuit circuit(n_qubits);
circuit.add_parametric_RX_gate(0, 0.0);
circuit.add_parametric_RY_gate(1, 0.0);
 
// Создаем оптимизатор градиентного спуска
GradientDescent optimizer;
optimizer.set_learning_rate(0.1);
 
// Определяем целевую функцию (оператор Гамильтона)
Observable observable(n_qubits);
observable.add_operator(1.0, "Z 0 Z 1");
 
// Оптимизируем параметры для минимизации энергии
for (int step = 0; step < 100; step++) {
    // Вычисляем градиент
    std::vector<double> grad = circuit.backprop(&state, observable);
    
    // Обновляем параметры
    std::vector<double> params = circuit.get_parameters();
    optimizer.update_parameters(params, grad);
    circuit.set_parameters(params);
}

++
// Создание схемы с шумовой моделью
NoiseSimulator simulator(n_qubits);
 
// Добавление специфичных для японских процессоров шумовых каналов
simulator.add_depolarizing_noise(0.01);  // Деполяризующий шум
simulator.add_amplitude_damping_noise(0.005);  // Затухание амплитуды
simulator.add_dephasing_noise(0.003);  // Дефазировка
 
// Выполнение шумной симуляции
simulator.simulate(&circuit, &state);

++
// Создание векторизованного симулятора для параллельной обработки
QuantumStateVector states(n_qubits, n_samples);
 
// Заполнение разными начальными параметрами
for (int i = 0; i < n_samples; i++) {
  states.set_parameters(i, random_parameters());
}
 
// Параллельное выполнение
circuit.update_quantum_state_vector(&states);

++
// Создание тензорной сети для 40-кубитной системы
TensorNetworkState tns(40, bond_dim);
tns.initialize();
 
// Применение схемы к тензорной сети
circuit.apply_to_tensor_network(&tns);
 
// Вычисление приближенного значения ожидаемой величины
double expectation = tns.get_expectation_value(observable);

// Пример использования C-расширения для решения уравнения Линдблада
qutip_solver_options options;
options.rhs_reuse = 1;
options.rk_method = RK_METHOD_VERNER;
options.atol = 1e-8;
options.rtol = 1e-6;
 
// Создание гамильтониана системы и операторов коллапса
qutip_ode_system system;
system.hamiltonian = create_hamiltonian(params);
system.c_ops_num = 2;
system.c_ops = create_collapse_operators();
 
// Решение квантовой динамики
qutip_solve_ode(&system, initial_state, times, result, &options);

// Настройка симуляции квантовых прыжков
qutip_mctrajectory_options mc_opts;
mc_opts.ntraj = 1000;  // Количество траекторий
mc_opts.method = MCTRAJECTORY_METHOD_JUMPS;
 
// Запуск Монте-Карло симуляции
qutip_mctrajectory_solve(&system, initial_state, times, results, &mc_opts);

// Инициализация симулятора Intel QS
int num_qubits = 30;
QbitRegister qreg(num_qubits, "base", 0);
 
// Создание суперпозиции
for (int q = 0; q < num_qubits; q++) {
    qreg.ApplyHadamard(q);
}
 
// Применение запутывающих вентилей
for (int q = 0; q < num_qubits-1; q++) {
    qreg.ApplyCPauliX(q, q+1);
}
 
// Параллельное измерение
TM2x2<ComplexDP> M = TM2x2<ComplexDP>::SingleQubitOperator('Z');
std::vector<double> expectation_values(num_qubits);
 
#pragma omp parallel for
for (int q = 0; q < num_qubits; q++) {
    expectation_values[q] = qreg.ExpectationValue(M, q);
}

// Оптимизированная функция с явным использованием AVX-512
void ApplyHadamardAVX512(QubitRegister &qreg, int target_qubit) {
  const __m512d sqrt2_inv = _mm512_set1_pd(M_SQRT1_2);
  
  // Шаг между состояниями, отличающимися значением целевого кубита
  size_t delta = 1ULL << target_qubit;
  
  #pragma omp parallel for
  for (size_t i = 0; i < qreg.size(); i += 16) {
    if ((i & delta) == 0) {  // Обрабатываем блоки по 16 состояний
      __m512d real0 = _mm512_load_pd(&qreg.real[i]);
      __m512d imag0 = _mm512_load_pd(&qreg.imag[i]);
      __m512d real1 = _mm512_load_pd(&qreg.real[i + delta]);
      __m512d imag1 = _mm512_load_pd(&qreg.imag[i + delta]);
      
      // Векторизованное применение вентиля Адамара
      __m512d new_real0 = _mm512_mul_pd(_mm512_add_pd(real0, real1), sqrt2_inv);
      __m512d new_imag0 = _mm512_mul_pd(_mm512_add_pd(imag0, imag1), sqrt2_inv);
      __m512d new_real1 = _mm512_mul_pd(_mm512_sub_pd(real0, real1), sqrt2_inv);
      __m512d new_imag1 = _mm512_mul_pd(_mm512_sub_pd(imag0, imag1), sqrt2_inv);
      
      _mm512_store_pd(&qreg.real[i], new_real0);
      _mm512_store_pd(&qreg.imag[i], new_imag0);
      _mm512_store_pd(&qreg.real[i + delta], new_real1);
      _mm512_store_pd(&qreg.imag[i + delta], new_imag1);
    }
  }
}

// Инициализация соединения с облаком Rigetti
forest_connection* conn = forest_connect("api_key_goes_here");
 
// Создание и компиляция квантовой программы на Quil
char* quil_program = "DECLARE ro BIT[1]; H 0; CNOT 0 1; MEASURE 0 ro[0]";
forest_program* program = forest_compile_program(conn, quil_program);
 
// Выполнение на квантовом процессоре
char* device = "Aspen-9"; // Конкретный процессор Rigetti
forest_result* result = forest_run_program(conn, program, device, 1000);
 
// Анализ результатов
int count_0 = forest_result_count(result, "0");
int count_1 = forest_result_count(result, "1");
 
// Освобождение ресурсов
forest_free_result(result);
forest_free_program(program);
forest_disconnect(conn);

// Цикл оптимизации параметров вариационного алгоритма
double params[4] = {0.1, 0.2, 0.3, 0.4};
double best_value = 1000.0;
 
for (int iter = 0; iter < 100; iter++) {
  // Формирование параметризованной квантовой программы
  char program[512];
  sprintf(program, 
          "DECLARE ro BIT[1]; RX(%.5f) 0; RY(%.5f) 1; CNOT 0 1; "
          "RZ(%.5f) 1; RX(%.5f) 0; MEASURE 0 ro[0]",
          params[0], params[1], params[2], params[3]);
  
  // Выполнение на квантовом процессоре
  forest_program* p = forest_compile_program(conn, program);
  forest_result* r = forest_run_program(conn, p, device, 500);
  
  // Вычисление целевой функции
  double current_value = compute_objective(r);
  
  // Обновление параметров градиентным спуском
  if (current_value < best_value) {
    best_value = current_value;
    update_parameters(params, r);
  }
  
  forest_free_result(r);
  forest_free_program(p);
}

// Применение кода поверхности для защиты от ошибок
char* error_corrected_quil = 
  "PRAGMA PRESERVE_BLOCK
   RX(pi/2) 0
   RZ(pi/4) 0
   CNOT 0 1
   PRAGMA ERROR_DETECTION
   MEASURE 2 ro[0]
   JUMP-UNLESS @recover ro[0]
   X 0  # Корректирующая операция
   LABEL @recover";
   
forest_program* ec_program = forest_compile_program(conn, error_corrected_quil);

// Настройка параметров безопасности
forest_security_options sec_opts;
sec_opts.use_tls = 1;
sec_opts.verify_certs = 1;
sec_opts.custom_ca_path = "/path/to/custom/ca";
 
// Установка параметров при подключении
forest_connection* secure_conn = forest_connect_with_options("api_key", &sec_opts);

// Отправка задачи в очередь с приоритетом
forest_job_options job_opts;
job_opts.priority = FOREST_PRIORITY_NORMAL;
job_opts.wait_timeout_seconds = 300;  // Максимальное время ожидания
 
forest_job* job = forest_submit_job(secure_conn, program, device, 1000, &job_opts);
 
// Проверка статуса задачи
while (forest_job_status(job) == FOREST_JOB_QUEUED) {
  printf("Задача в очереди, позиция: %d\n", forest_job_queue_position(job));
  sleep(5);
}

// Базовый тест: создание и измерение состояния Белла
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
    // Создаем состояние Белла
    hadamard(q, 0);
    cnot(q, 0, 1);
    // Измеряем
    measure_all(q, results);
}