Ket quantum programming

Abstract

As linguagens de programação quântica preenchem a lacuna entre a mecânica quântica e as construções clássicas de programação para simplificar o desenvolvimento de aplicações quânticas. No entanto, a maioria das linguagens de programação quântica abordam apenas as restrições intrínsecas à programação quântica sem observar as restrições advindas da construção dos computadores quânticos. Devido à decoerência, computadores quânticos em nuvem devem executar o mais rápido possível, possibilitando apenas o processamento em lote que limita a interação entre computadores clássicos e quânticos. Neste trabalho, apresentamos o Ket, uma linguagem de programação quântica embarcada em Python para programação híbrida clássica-quântica que mitiga essa limitação de interação com uma arquitetura de tempo de execução adequada para computadores quânticos em nuvem. Como componente central da arquitetura de tempo de execução proposta, apresentamos a biblioteca C++ Libket, que introduz geração de código de tempo de execução para possibilitar a programação quântica genérica com execução dinâmica, enquanto mantém a computação quântica o mais específica possível. O Libket também introduz as variáveis do tipo future para atrasar a execução quântica. Estas variáveis, por sua vez, são utilizadas pelo Ket para mitigar a limitação de interação entre computadores clássico e quântico. Ket, Libket e o Ket Bitwise Simulator (KBW) compõem o framework de programação quântica Ket. Com o KBW, melhoramos a representação Bitwise, tornando o tempo de simulação não dependente do número de qubits, mas sim da quantidade de superposição e emaranhamento do sistema.

Abstract: Quantum programming languages fill the gap between quantum mechanics and classical programming constructions to simplify the development of quantum applications. However, most quantum programming languages only address the inherent quantum programming constraints without observing the construction restrictions of quantum computers. Due to decoherence, cloud-based quantum computers must run as fast as possible, which leads to batch processing, limiting the interaction between classical and quantum computers. In this work, we present Ket, a Python-embedded quantum programming language for hybrid classical-quantum programming that mitigates this interaction limitation with a runtime architecture suitable for cloud-based quantum computers. As the core of our proposed runtime architecture, we have the C++ runtime library Libket, which features runtime quantum code generation to enable generic quantum programming with dynamic quantum execution while keeping the quantum computation as specific as possible. Libket also introduces the future variables to delay the quantum execution, which Ket used to mitigate the interaction limitation between classical and quantum computers. Ket, Libket, and Ket Bitwise (quantum computer) Simulator (KBW) constitute the Ket Quantum Programming framework. With KBW, we improve over the Bitwise representation, associating the simulation time to the amount of superposition and entanglement in the quantum system, not the number of qubits.