Квантове програмування в Java

Strange

Strange - бібліотека для емуляції квантових обчислень на Java. Бібліотека також дозволяє досить просто візуалізувати написану квантову програму за допомогою JavaFX.

Підключення бібліотеки

При використанні Maven це можна зробити, додавши залежність:

Написання простої програми

Приклад простої програми, код можна помістити прямо в метод main():

Program program = new Program(3);
Step s0 = new Step();
s0.addGate(new X(0));
Step s1 =new Step();
s1.addGate(new Hadamard(2));
program.addStep(s0);
program.addStep(s1);

QuantumExecutionEnvironment qee = 
	new SimpleQuantumExecutionEnvironment();
Result result = qee.runProgram(program);
Qubit[] qubits = result.getQubits();
for (Qubit qubit:qubits){
   System.out.println(qubit.measure());
}

Після запуску програма має видати результат

1
0
0

або

1
0
1

Пояснення програми

Створення програми, що буде оперувати 3-ма кубітами:

Program program = new Program(3);

Створення "кроку" програми, додавання в нього оператору (гейту) Х. Х - це квантовий аналог оператора заперечення (NOT) в звичайному програмуванні. Параметр конструктора X() вказує, до якого саме кубіту буде застосований цей оператор. В нашому випадку - до нульового.

Step s0 = new Step();
s0.addGate(new X(0));

Аналогічно додаємо ще один крок. В цьому випадку буде використовуватися оператор Адамара. Цей оператор переводить кубіт в стан суперпозиції. Оператор застосовується до кубіта номер 2.

Step s1 =new Step();
s1.addGate(new Hadamard(2));

Додаємо наші "кроки" до програми:

program.addStep(s0);
program.addStep(s1);

Створюємо емулятор, виконуємо в ньому програму:

QuantumExecutionEnvironment qee = new SimpleQuantumExecutionEnvironment();
Result result = qee.runProgram(program);

Конвертуємо результат в кубіти, проводимо вимірювання кожного, виводимо результат. Вимірювання перетворює кубіт у звичайний біт.

Qubit[] qubits = result.getQubits();
for (Qubit qubit:qubits){
   System.out.println(qubit.measure());
}

Кожен із кубітів спочатку знаходиться в стані |0>.

Візуалізація

Для візуалізації потрібно додати залежність:

Для нових версій Java (Java 9+) також потрібно підключити JavaFX:

Для виведення візуалізації достатньо додати рядок коду:

Renderer.renderProgram(program);