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像经典编程一样简单！MIT科学家开发新型量子计算机模型

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发布时间：2024-04-18

 

量子计算软件市场预计将迎来指数级增长，预测到2030年其复合年增长率（CAGR）将达到21.9%。这不仅预示着前所未有的计算能力的解放，而且能够帮助各行各业解决极其复杂的问题。

 

 
量子计算软件包括一系列工具、算法和编程语言，旨在利用量子力学的特性来执行经典计算机无法完成的任务。这些解决方案赋予研究人员、科学家和各种组织探索量子算法、模拟量子系统的能力，并在优化、密码学、药物发现以及材料科学等领域开发应用。
 
尽管量子计算技术仍处于初级阶段，但硬件能力的增强、软件架构的优化和算法开发的进步正不断推动着技术创新，并扩展了量子计算的应用领域。
 
随着越来越多的企业意识到量子计算在推动创新和增强竞争优势方面的潜力，量子计算软件市场正准备迅速扩展。这为供应商和服务提供商创造了机会，使他们能够提供突破性的解决方案，从根本上改变问题解决方式，并加速科学发现的步伐。
 
量子计算软件市场之所以以无与伦比的创新程度著称，正是得益于量子编程语言、量子算法以及量子计算基础设施的持续进步和发展。这些技术的革新不仅推动了市场的快速增长，还为解决一些最为复杂的计算问题提供了可能。
 
在这一发展背景下，麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室（CSAIL）的最新研究成果，突显了为量子计算机编程以及运行量子算法所面临的挑战。该研究不仅揭示了现有技术的局限性，还提出了一个更易于使用的量子计算机概念模型，这可能为量子计算的未来应用开辟新的路径。
 
 
当麻省理工学院教授兼现计算机科学与人工智能实验室（CSAIL）成员 Peter Shor 最初揭示量子计算机解决问题的速度可能超越传统计算机时，他激发了科学界对这项新兴技术潜在无限可能性的广泛想象。然而，即使是三十年后的今天，量子计算的发展仍未达到预期的高峰。
 
不幸的是，量子计算技术还远未实现广泛应用。将量子算法从抽象的数学概念转换成可在量子计算机上执行的实际代码，依旧是一个巨大的挑战。传统计算机的程序员可以选择众多编程语言，如 Python 和 C++，这些语言都与经典计算的标准抽象紧密相连，但量子程序员面临的情况大不相同；目前，有效的量子编程语言寥寥无几，且由于量子计算技术本身还在不断演进，使用这些语言相对更为复杂。
 
麻省理工学院的研究人员最近指出，这种差异的根本原因在于量子计算机不遵循传统计算机用于“控制流”的基本程序执行规则，即不按照固定顺序完成程序的每一个步骤。
 
因此，他们提出了一种新的量子计算机概念模型，这种模型可能使编程工作变得更为简便。
 
 
 

论文链接：
https://arxiv.org/abs/2304.15000
 
在即将于“ACM面向对象编程、系统、语言和应用会议”（ACM Conference on Object-oriented Programming, Systems, Languages, and Applications）上发表的一篇论文中，研究团队详细介绍了一种名为“量子控制机”（quantum control machine）的创新量子计算机概念模型。这一模型旨在简化量子程序的编写，使其接近于传统经典计算机的编程体验。
 
这项成就预计将极大提高执行某些复杂任务的效率，如大数因式分解、数据库检索以及模拟分子间的相互作用以发现新药，这些任务对于传统计算机来说难以高效完成。
 
“我们的研究提出了量子计算机编程的新原则。”首席作者、CSAIL的博士生Charles Yuan 表示：“其中一个关键发现是，如果尝试使用与经典计算机相同的基本指令来编程量子计算机，你最终可能会削弱量子计算机的性能优势，使其退化为经典计算机。这些原则不仅揭示了量子编程语言设计之难，也指引了改进这些语言的方向。”
 
 

如今，经典计算机之所以相对容易编程，一个重要原因在于它们的控制流极为直观和简明。经典计算机的核心组成部分是二进制位，或称为比特，即0和1的集合。

 

 
这些基本单位组成了计算机的指令和组件。其中，一个关键组件是“程序计数器”（program counter），它通过从内存中调用下一条指令来确定程序的下一步，类似于厨师跟随食谱烹饪的过程。当程序逐步执行时，一种名为“条件跳转”（conditional jump）的控制流指令会更新程序计数器，指引计算机前进到下一条指令或偏离原定步骤。
 

与此相比，量子计算机的基本单元是量子比特，这是传统比特的量子版本。量子数据能够同时存在于0和1的状态，这种状态被称为叠加。在这种机制下，量子算法能够执行两个指令的叠加——这就是所谓的量子控制流。

 

 
然而，现有的量子计算机设计并未包含与程序计数器或条件跳转相等效的机制。在实际操作中，这意味着程序员通常需要手动排列描述计算机硬件逻辑门来实现控制流，这个过程既繁琐又容易出错。为了弥补这一缺陷并缩小与经典计算机之间的差距，Charles Yuan SM及其团队开发了量子控制机——一种工作原理类似于经典虚拟机的量子计算机指令集。
 
在他们的论文中，研究团队展示了如何利用这套新的指令集来实现量子算法，解决诸如数字因式分解和化学反应模拟等复杂问题。
 
 
在这项研究的技术核心，研究人员证明了量子计算机无法支持与经典计算机相同的条件跳转指令，并展示了如何调整这种指令，使其能在量子计算机上有效运行。
 
具体来说，量子控制机的一大特点是其所有指令的可逆性：这些指令不仅可以向前执行，也能够向后运行。为了确保量子算法的正确性，需要保证所有指令（包括控制流指令）都具备可逆性，这样才能在处理量子信息时，避免意外破坏其叠加状态，从而防止生成错误的结果。

 

量子控制机的核心指令集
 
文章指出：“长期以来，研究者们一直在探索量子计算机的设计，以便更好地理解如何在硬件中实施这些设计或分析其理论能力。本项工作开辟了一个新的研究方向：探讨如何以直观、正确的方式编程，以便高效实现量子算法。”
 
 
科学家们指出，用户无需成为物理学家或数学家，也能理解这项未来技术的工作原理。这项研究首次实现了利用程序计数器这一抽象概念来正确编程量子计算机，使编写量子程序变得与经典程序一样简单，从而使我们离量子编程的愿景更近了一步。
 

 
Charles Yuan SM解释说，量子计算机并不是那种只有通过复杂方程式才能理解的神秘设备。通过量子控制机，CSAIL团队致力于降低人们使用量子计算机的门槛，将这一陌生的量子控制流概念提升到与人们熟知的经典计算机控制流相同的层面。
 
他们希望通过强调构建和编程量子计算机的关键考虑因素，使非专业领域的人士了解量子技术的潜力及其潜在限制。
 
然而，研究人员提醒，与许多其他设计一样，由于当前量子比特技术的局限，他们的研究成果还不能直接转化为实用的硬件量子计算机。他们的目标是开发出一种将多种量子算法作为程序实现的方法，以有效利用有限的量子比特和逻辑门。这样的发展将使我们更接近于在不久的将来在商用量子计算机上运行这些算法。
 
麻省理工学院-IBM沃森人工智能实验室（MIT-IBM Watson AI Lab）的研究员Patrick Rall 表示：“自量子计算模型诞生以来，它的基本能力就一直是量子计算理论的核心讨论内容。”
 
尽管最早的模型之一是量子图灵机，它实现了量子控制流，但该领域已大幅转向更简单、更实用的电路模型，而现有的量子模型通常缺乏控制流。
 
Yuan、Villanyi 和 Carbin 从编程语言的角度出发，成功地揭示了这一转变的根本原因。控制流是我们理解经典计算的核心，但量子计算的情况却大不相同。论文作者强调：“随着硬件平台逐渐成熟，这一洞察对现代量子软件框架的设计至关重要。”
 
参考链接：
[1]https://www.whatech.com/og/markets-research/it/809564-in-depth-analysis-of-the-quantum-computing-software-market-analysis-to-2030-cagr-of-30-2
[2]https://news.mit.edu/2024/mit-researchers-propose-blueprint-how-make-quantum-computers-easier-program-0416

[3]https://arxiv.org/abs/2304.15000

 

 

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