像经典编程一样简单！MIT科学家开发新型量子计算机模型

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。