2026 年必须了解的 13 种量子编程语言和工具
量子编程语言正在迅速成为量子计算时代的重要工具。这种新型编程语言使开发人员和研究人员能够与量子位进行交互并设计算法，这些算法可能很快就会比传统算法的性能好几个数量级。
截至 2025 年，已经推出了超过 37 种不同的量子编程语言，每种语言都针对量子计算的特定模型、硬件和用例量身定制。总的来说，这些语言反映了量子计算中的多种方法，从基于门的系统和变分电路到绝热模型和混合经典量子算法。 [1]
下面，我重点介绍了领先的量子编程语言，这些语言使开发人员能够有效地利用量子力学的特性来解决复杂的问题。
你知道吗？
GitHub 托管超过 21,000 个量子软件存储库，自 2017 年以来增长了 200%。这些存储库吸引了超过 10,000 名独特的开发人员的贡献，代码提交总数超过 120 万行。 [2]
13。数量
初始版本 :2022
创建者 ：独立研究人员和开源贡献者
独特的力量 ：量子优先方法和干净的抽象模型
最适合 ：研究人员正在寻找不受供应商锁定的轻量级工具集
Qunity 是一种鲜为人知但具有前瞻性的量子编程语言和框架，它将经典编程模型的清晰度与量子力学的独特范式融为一体。
它是从头开始构建的一种量子原生语言，在类型系统和逻辑级别上强制执行量子力学约束（例如不可克隆和统一进化）。
虽然它从 C 和 Python 等经典编程语言中汲取灵感，但它调整了语法和语义，使其与量子计算原理自然兼容，例如线性、可逆性、叠加和纠缠。 [3]
Qunity 的设计是模块化的，旨在与后端无关，并支持正在开发的模拟器和兼容层，以实现未来真正的量子处理器。
12。 TKET
初始版本 :2019
创建者 :量子
独特的力量 ：智能处理硬件限制
最适合 ：与硬件无关的电路优化；生产级工具
TKET 主要充当中级优化编译器和执行框架，连接高级量子程序和各种量子硬件目标。
TKET 专注于量子电路优化、门综合和量子位路由。它将抽象的量子算法转换为具有最小深度和错误率的硬件兼容指令。
它能够智能地处理硬件限制（例如量子位连接限制、门保真度和本机指令集），使其能够生成具有更少门数和更短执行时间的更高效电路。
在独立基准测试中，在某些用例中，与本机编译器相比，TKET 的门数减少了 40%，执行时间加快了 25-30%。
11。项目Q
初始版本 :2016
创建者 ：苏黎世联邦理工学院
独特的力量 ：面向编译器，模块化设计
最适合 ：量子编译器研究和教育目的
ProjectQ 为研究人员、开发人员和教育工作者提供了一个模块化且可扩展的量子计算平台。
它是用 Python 编写的，是早期的量子 SDK 之一，强调基于编译器的架构，其中量子程序在模拟器或真正的量子硬件上执行之前被转换为中间表示。
ProjectQ 强调模块化，允许开发人员以类似 Python 的风格定义量子程序，使用可定制的管道进行编译，并在内置模拟器或后端（例如 IBM Quantum Experience）上执行它们。此外，以编译器为中心的设计允许对优化、门分解和特定于目标的转换进行细粒度控制。 [4]
它还支持量子电路仿真、波函数仿真、酉矩阵仿真，并可以作为编译器研究、量子纠错和优化研究的实验平台。
10。量子计算语言（QCL）
初始版本 :2000
创建者 ：伯恩哈德·奥马尔
独特的力量 ：清晰、低级地访问量子态
最适合 ：学习经典-量子混合结构
QCL是最早专门为量子计算构建的高级编程语言之一。
在量子编程主要在数学或电路级别完成的时候，QCL 引入了结构化语法、变量、条件、循环和模块化函数——本质上为后来的高级量子语言奠定了基础。
它将经典计算和量子计算分开，其中经典寄存器管理控制流，而量子寄存器（quregs）存储和操作量子态。该语言引入了许多现在常见的量子计算编程结构，例如酉运算符、测量指令、可逆计算和临时使用的辅助量子位。
尽管 QCL 不与任何商业量子硬件绑定，但它仍然是学术和研究环境中的一个有价值的工具，特别是在教学和模拟量子算法方面。
9。草莓园
初始版本 :2018
创建者 :世外桃源
独特的力量 ：独家专注CV量子计算
最适合 ：光子量子系统的模拟和编程
Strawberry Fields 是一个专为连续变量 (CV) 量子计算量身定制的全栈开源量子编程库。它专为使用光的量子态（如压缩态、相干态和高斯态）进行计算的量子光子电路而设计。
Strawberry Fields 的核心利用了 Blackbird 量子汇编语言。这使得开发人员能够使用基于门的模型和机器学习工作流程来设计、模拟和优化光子量子电路。
它可以与 PennyLane（另一个 Xanadu 项目）结合使用，以促进混合量子经典计算和机器学习应用。该平台非常适合量子机器学习、量子化学、CV 量子密码学和量子光学研究中的用例。 [5]
8。海洋
初始版本 :2018
创建者 ：D-Wave 系统
独特的力量 ：专为量子退火而设计；支持混合求解器
最适合 ：解决组合优化问题
Ocean 是一个开源量子编程框架，专门设计用于帮助用户开发和优化量子退火器的问题，这是与基于门的量子计算机截然不同的范例。 [6]
它不是传统意义上的编程语言，而是用 Python 构建的工具链，可将用户定义的问题（主要是优化问题）转换为 D-Wave 的量子退火硬件可解决的形式。
Ocean 的模块化架构使其对于致力于自定义求解器或优化启发式的开发人员和研究人员来说具有高度可扩展性。它最适合解决组合优化问题，例如车辆路线、组合优化、调度和机器学习任务。
此外，Ocean 与 D-Wave 的 Leap 云服务无缝集成，使开发人员能够立即访问量子硬件和资源。 2025 年，D-Wave 宣布全面推出其 Advantage2 量子计算系统，该系统拥有超过 4,400 个量子位。 Ocean 已更新以完全支持这一下一代系统。
7。 QuTiP
初始版本 :2012
创建者 ：Johannes Johansson、Paul Nation 和合作者
独特的力量 ：以物理为中心的模拟能力
最适合 ：理论研究与建模
QuTiP 是一个全面的开源框架，专注于模拟量子系统的物理现象，特别是连续时间演化、主方程和非单一动力学方面。
QuTiP 用 Python 编写，并使用 NumPy、SciPy 和 Cython 进行优化，对于数值计算非常高效。它允许研究人员建模和求解与时间相关的薛定谔方程、林德布拉德主方程和海森堡运动方程，这些是量子力学的核心。 [7]
QuTiP 还提供了一套求解器，包括 mesolve 对于 Lindblad 主方程，sesolve 对于薛定谔方程，以及mcsolve 用于蒙特卡罗模拟。这些求解器能够在各种条件下研究封闭和开放量子系统。
这些能力使其广泛应用于量子光学、量子热力学、腔QED、超导量子位研究等领域。
6。彭尼巷
初始版本 :2018
创建者 :世外桃源
独特的力量 ：与经典机器学习生态系统集成
最适合 ：量子机器学习；混合经典量子模型
PennyLane 是一个基于 Python 的开源量子计算库，它将量子计算与机器学习工作流程集成在一起，提供用于自动微分量子电路的工具。
它通过利用 PyTorch、TensorFlow 和 JAX 等框架连接量子计算和经典优化。这使得开发人员可以将量子节点嵌入到经典机器学习模型中。
PennyLane 通过其插件系统支持各种量子硬件和模拟器，使开发人员能够在不同的后端运行量子电路，而无需修改代码。这种灵活性使其成为量子计算研究和实际应用的宝贵工具。 [8]
该库还提供量子化学的专门功能，例如可微分的 Hartree-Fock 求解器和用于构建分子哈密顿量的工具。这些功能使研究人员能够使用基于梯度的优化技术进行量子化学模拟。
5。 OpenQASM
初始版本 :2017
创建者 ：IBM 研究部
独特的力量 ：支持硬件中立性，促进互操作性
最适合 ：定义底层电路和门序列
OpenQASM（开放量子汇编语言）是一种与硬件无关的量子电路中间表示形式，为量子门操作提供低级汇编式语法。
该语言特别专注于以机器可读和人类可读的格式表达量子电路。它允许精确描述门级指令，包括量子位分配、量子门应用、测量、经典寄存器交互和条件逻辑。
OpenQASM 已发展成为一种广泛接受的标准，用于以结构化、声明性的形式表达量子程序。最近的研究重点是使用 OpenQASM 3 实现混合量子经典计算的验证和形式化，突出了该语言进行严格程序分析和验证的潜力。
4。 PyQuil
初始版本 :2017
创建者 ：Rigetti计算
独特的力量 ：参数化编译、真实模拟层
最适合 ：在Rigetti硬件和模拟器上执行程序
PyQuil 是一个开源量子编程库，专为使用 Quil（量子指令语言）协议创建和运行量子程序而构建。
PyQuil 用 Python 编写，是与基于超导量子位架构的 Rigetti Forest 平台和 Aspen 量子处理器交互的主要工具。与其他框架中基于 Python 的抽象不同，Quil 使开发人员能够更加透明地了解量子硬件上实际运行的内容，这对于调试和性能调整非常宝贵。 [9]
它特别适合 NISQ（嘈杂的中尺度量子）计算，为开发人员提供了一个富有表现力的低级接口来构建和模拟量子电路。
PyQuil 提供了抽象和优化的强大结合，以及紧密模仿硬件行为的真实模拟层 (QVM)。开发人员可以编译电路以匹配 Rigetti 设备的实际硬件限制，例如量子位连接、本机门集和噪声配置文件。
与 Rigetti 的 Aspen QPU 相结合，这使得 PyQuil 成为用于研究和测试的实用且高保真的工具。
3。问#
初始版本 :2017
创建者 ：微软
独特的力量 ：内置模拟工具、模块化量子库
最适合 ：企业级算法开发
Q#（Q-sharp）是一种特定领域的量子编程语言，它使用强类型系统，并强制量子数据和经典数据之间严格分离，以最大限度地减少编程错误。
与 Qiskit 和 Cirq 等基于 Python 等通用编程语言构建的框架不同，Q# 是专门为量子计算而专门设计的。
Q# 以其正式的结构、强大的类型安全性和长期的可扩展性而脱颖而出。它具有强大的静态类型和编译时错误检查功能，可显着降低出现错误的风险。其关键优势之一是内置的资源估算工具，使开发人员不仅能够模拟量子电路，还可以根据量子位、门数和电路深度评估其成本。
它配备了丰富的预建量子运算库，例如量子傅立叶变换、振幅放大和格罗弗搜索。此外，它还深度集成到 Microsoft 更广泛的 Azure Quantum 平台以及 Visual Studio、Visual Studio Code 和 Jupyter Notebooks 中。 [10]
2。 Cirq
初始版本 :2018
创建者 ：谷歌人工智能量子团队
独特的力量 ：以硬件为导向，精准级控制
最适合 ：NISQ时代设备的定制电路、量子模拟
Cirq 是一个开源量子编程框架，主要设计用于支持 NISQ（噪声中级量子）设备。它为开发人员提供了对量子电路的细粒度控制，特别是在硬件拓扑和噪声属性很重要的情况下。
Cirq 采用基于矩的架构。它将操作组织成基于时间的“时刻”，从而可以更好地模拟执行时序，并更容易地结合现实的噪声和退相干模型。 [11]
与专注于抽象量子算法的高层框架不同，Cirq 强调门和电路调度层面的控制。这使得研究人员能够尝试硬件感知优化和基准量子操作。
Cirq 通常用作 TensorFlow Quantum 的基础编程层。它也是与 Google 超导量子处理器（例如 Sycamore 和 Bristlecone）交互的母语。
1。奇奇特
初始版本 :2017
创建者 ：IBM 研究部
独特的力量 ：与 IBM 量子硬件的深度垂直集成
最适合 ：电路设计、量子算法原型、混合仿真
Qiskit 是一种开源量子编程语言，使开发人员和研究人员能够从理论和实践角度参与量子计算，从模拟量子电路到将其部署在 IBM 的超导量子处理器上。
Qiskit 采用 Python 构建，支持基于门的量子计算模型，并与 IBM 的量子云硬件紧密集成。
该平台已经从基本的 SDK 发展成为一个全面的堆栈，其中包括高级算法库（例如 Qiskit 机器学习、Nature、Optimization）、中级电路构建器，甚至通过 Qiskit Pulse 进行脉冲级控制。这种分层架构使开发人员能够在每个抽象级别创建、实验和优化量子程序。
Qiskit 最具突破性的功能之一是通过 IBM Quantum Experience 实时访问实际的量子硬件，该硬件托管具有 5、16、27 和 127 以上量子位的量子处理器。这让成千上万的开发人员获得了真正的量子噪声和设备限制的实践经验。
在过去的几年里，Qiskit 已成为量子计算领域最容易访问和采用最广泛的平台之一。 它的安装量已超过 600 万次，每月新增安装量约为 30 万次。 Qiskit 迄今为止已实现超过 3 万亿个量子电路的执行，在 GitHub 上有超过 2,000 个分支和 8,000 多个贡献。 [12]
了解更多
- 关于量子计算机的 21 个最有趣的事实
- 15 款采用新计算范式的量子处理器
引用的来源和其他参考文献
- Felipe Ferreira，关于量子编程语言使用的探索性研究，ScienceDirect
- Krishna Upadhyay，分析量子计算存储库的演变和维护，arXiv
- Finn Voichick，量子和经典计算的统一语言，arXiv
- ProjectQ，量子计算的开源软件，arXiv
- 文档，PennyLane-Strawberry fields 插件，PennyLane
- 文档，如何使用量子经典混合求解器、D-Wave 优化业务问题
- Neill Lambert，Python 中的量子工具箱，arXiv
- Quantum Devices，PennyLane 的量子设备生态系统，拥有 40 多个集成选项，PennyLane
- 文档，pyQuil 允许您使用 Python、pyQuil 构建和执行 Quil 程序
- Qsharp 概述、量子编程语言 Q# 简介，Microsoft
- 参考，电路内操作的时间片，Google
- Muhammad AbuGhanem，IBM 量子计算机：演化、性能和未来方向，Springer
工业技术