MIT開發量子運算新語言

作者 : MIT CSAL

麻省理工學院(MIT)電腦科學與人工智慧(CSAIL)的科學家日前開發一種新的編程語言——Twist,能夠描述並驗證量子程式中糾纏了哪些資料,從而可避免在量子程式中的錯誤...

麻省理工學院(MIT)電腦科學與人工智慧(CSAIL)的科學家日前開發一種新的編程語言——Twist,能夠描述並驗證量子程式中糾纏了哪些資料,從而可避免在量子程式中的錯誤。

「量子運算」(quantum computing)——相較於使用位元(bit)的傳統電腦不同,量子電腦使用量子位元元(Q-bit)將資訊編碼為 0 或 1,或兩者同時編碼。再加上來自量子物理學的各種力量,這些如同冰箱大小的機器可以處理大量資訊——但它們也非完美無缺。就像一般電腦一樣,我們需要有正確的程式語言,才能在量子電腦上正確運算。

對量子電腦進行編程需要瞭解所謂的「糾纏」(entanglement),這是一種用於各種量子位元的計算乘數,可以轉化為強大的能量。當兩個量子位元糾纏在一起時,一個量子位元的動作可以改變另一個量子位元的值,即使它們在實體上是分開的,也會引發愛因斯坦(Einstein)所說的「鬼魅似的遠距作用」(spooky action at a distance)。但這種效力同樣是弱點的來源。在程式設計時,丟棄一個量子位元而不注意它與另一個量子位元的糾纏,可能會破壞儲存在另一個量子位元中的資料,從而危及程式的正確性。

MIT CSAIL的科學家由於創建其量子運算程式語言Twist,從而解開了這些謎團。Twist透過經典程式設計人員能理解的語言,描述並驗證量子程式中糾纏了哪些資料。這種語言使用一種稱為「純度」(purity)的概念,強制讓糾纏無法存在並產生更直觀的程式,理想情況下的錯誤也更少。例如,程式設計人員可以使用 Twist 讓程式產生的臨時資料像垃圾一樣可以安全丟棄,而不至於與程式的答案糾纏在一起。

雖然新興領域可能會讓人感覺有點虛無和未來感,但由於可在腦海中浮現巨大的金屬機器影像,量子電腦具有在密碼學和通訊協定、搜尋以及物理和化學運算等難以解決的任務中實現運算突破的潛力。運算科學的主要挑戰之一在於處理問題的複雜性及其所需要的運算量。經典的數位電腦需要非常大的指數級位元數才能處理這樣的模擬,而量子電腦則能使用非常少量的量子位元成功實現這一點——前提是如果程式正確的話。

MIT電子工程和電腦科學博士研究生Charles Yuan說:「我們自行開發的程式語言Twist讓開發人員能夠編寫更安全的量子程式,明確描述量子位元在什麼時候不能與另一個量子位元糾纏。」Charles Yuan同時也是關於 Twist 論文的主要作者。他說:「由於掌握到量子程式需要瞭解所謂的糾纏,我們希望 Twist 能夠為讓程式設計人員更易於因應量子運算挑戰的編程語言鋪路。」

Yuan與另一名MIT電子工程和電腦科學博士研究生Chris McNally,以及MIT助理教授Michael Carbin一起撰寫了這篇論文。他們在今年初於費城舉行的2022年程式設計原則研討會(2022 Symposium on Principles of Programming)上展示了這項研究。

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