Библиотека эмуляции квантовых вычислений

Квантовая информатика
Закон Мура: за 2 года производительность компьютера увеличивается в 2 раза
(ни разу не нарушался с 1958 г.)
К 2025 г. структурные элементы вычислительной машины станут настолько малы, что для них преобладающими станут законы квантовой физики
Требуется коренной пересмотр принципов работы компьютера

Квантовый регистр
Один кубит: α0 |0> + α1 |1>
При измерении получаем значение 0 с вероятностью α02, значение 1 с вероятностью α12
Три кубита:
α000 |000> + α001 |001> + α010 |010> + α011 |011> +
α100 |100> + α101 |101> + α110 |110> + α111 |111>
При измерении получаем значение 100 с вероятностью α1002
Для эмуляции n-кубитового квантового регистра требуется ~2n байт (посчитайте классический эквивалент 100-кубитового квантового компьютера)

Особенности квантовой информатики
Состояния регистра — суперпозиции чистых состояний
Операции над регистром — унитарные операторы
Квантовая запутанность регистра
Измерения приводят к разрушению
Теорема о невозможности копирования: невозможно копировать неизвестное квантовое состояние

Известные преимущества квантовой информатики
Алгоритм факторизации Шора
Алгоритм поиска Гровера
Квантовое преобразование Фурье
Задача нахождения периода

Актуальность разработки «квантового» ПО сейчас
Пока не создано квантового компьютера, единственная возможность практического изучения квантовой информатики – эмуляция квантового компьютера на классическом
В случае создания квантового компьютера этапы написания, отладки и тестирования программ будут проходить по большей части на классическом компьютере
Разработанное «квантовое» ПО и его доказанные преимущества позволят легче привлечь инвестиции в физическое создание и совершенствование квантового компьютера

Библиотека эмуляции квантовых вычислений
Средство разработки квантового ПО в привычной современному разработчику среде ‒ на языке C++
Эмуляция квантового регистра, унитарных преобразований, условных операторов, операторов измерения
Удобный набор стандартных операторов для квантовых вычислений: элемент Адамара, операторы Паули, CNOT, Тоффоли и др.

Пример: квантовая телепортация
H
X
Z
M1
M2
(схема заимствована из презентации Ала Ахо http://www.cs.columbia.edu/~aho/)

#include
...
qubit psi(1, 2);
vector
q;
q.push_back(qubit::ZERO());
q.push_back(qubit::ZERO());
qreg reg(q);
reg.feed(qopr::H(), qopr::ID()); // Generate EPR Pair
reg.feed(qopr::CNOT()); // Generate EPR Pair
reg.push_front(psi);
reg.feed(qopr::CNOT(), qopr::ID());
reg.feed(qopr::H(), qopr::ID(), qopr::ID());
int M0 = reg.MES(0);
int M1 = reg.MES(0);
if(M1) reg.feed(qopr::X());
if(M0) reg.feed(qopr::Z());
H
X
Z
M1
M2