Οι Επιστήμονες Ανάπτυξαν την Πρώτη Υψηλού Επίπεδου Γλώσσα Προγραμματισμού για Κβαντικούς Υπολογιστές

Οι επιστήμονες υπολογιστών στο ETH Zurich έχουν αναπτύξει την πρώτη υψηλού επιπέδου γλώσσα προγραμματισμού που μπορεί να προγραμματίσει κβαντικούς υπολογιστές με την ίδια ασφάλεια και αξιοπιστία όπως οι κλασικοί. Η νέα επέκταση είναι ένα σημαντικό βήμα προς τα εμπρός στην κβαντική υπολογιστική, καθιστώντας την εργασία της προγραμματισμού κβαντικών υπολογιστών πολύ πιο εύκολη από πριν.

Ο Martin Vechec είναι καθηγητής επιστήμης υπολογιστών στο εργαστήριο Secure, Reliable and Intelligent Systems Lab (SRI) του ETH.

«Ο προγραμματισμός κβαντικών υπολογιστών εξακολουθεί να είναι μια πρόκληση για τους ερευνητές», λέει ο Vechev. «Γι’ αυτό είμαι τόσο ενθουσιασμένος που τώρα μπορούμε να συνεχίσουμε την παράδοση του ETH Zurich στην ανάπτυξη κβαντικών υπολογιστών και γλωσσών προγραμματισμού».

«Η κβαντική γλώσσα προγραμματισμού μας Silq επιτρέπει στους προγραμματιστές να χρησιμοποιήσουν το δυναμικό των κβαντικών υπολογιστών καλύτερα από τις υπάρχουσες γλώσσες, επειδή ο κώδικας είναι πιο συμπαγής, ταχύτερος, πιο直觀 και πιο εύκολος να κατανοηθεί από τους προγραμματιστές».

Silq παρουσιάστηκε στη διάσκεψη γλωσσών προγραμματισμού PLDI 2020.

Κβαντικοί Υπολογιστές vs Κλασικοί Υπολογιστές

Η κβαντική υπολογιστική γίνεται ολοένα και πιο σημαντική, και υπάρχει τεράστια δυνατότητα με την τεχνολογία. Οι κβαντικοί υπολογιστές είναι ικανοί να λύνουν προβλήματα ταχύτερα από τους κλασικούς υπολογιστές χρησιμοποιώντας εντangled κβαντικά καταστάσεις. Σε αυτές τις καταστάσεις, τα bits της πληροφορίας перекриваются σε ορισμένα σημεία του χρόνου, και οι υπολογιστές έχουν τη δυνατότητα να αντιμετωπίσουν ζητήματα που οι κλασικοί υπολογιστές δεν είναι ικανοί να λύσουν σε ένα εύλογο χρονικό διάστημα.

Το καλοκαίρι του 2019, η κβαντική υπολογιστική είδε μια άλλη μεγάλη πρόοδο όταν ένας κβαντικός υπολογιστής μπόρεσε να λύσει ένα συγκεκριμένο πρόβλημα ταχύτερα από τον ταχύτερο κλασικό υπολογιστή.

Ακόμη και με τις πρόσφατες προόδους, υπάρχουν ακόμη πολλές προκλήσεις. Ορισμένα «κβαντικά αλγόριθμοι» δεν είναι ικανοί να υπολογιστούν σε κβαντική υλική βάση λόγω του υψηλού επιπέδου σφαλμάτων.

Η Νέα Γλώσσα: Silq

Οι τρέχουσες κβαντικές γλώσσες προγραμματισμού είναι στενά συνδεδεμένες με συγκεκριμένη υλική βάση, και αυτές οι γλώσσες είναι δύσκολο να αντιμετωπιστούν και οδηγούν σε πολλά σφάλματα. Αυτό οφείλεται στην ανάγκη για εξαιρετικά λεπτομερείς οδηγίες για την εφαρμογή κβαντικών αλγορίθμων.

Η Silq αναπτύχθηκε για να υπερβεί αυτή την πρόκληση.

«Η Silq είναι η πρώτη κβαντική γλώσσα προγραμματισμού που δεν σχεδιάστηκε πρωτίστως γύρω από την κατασκευή και τη λειτουργικότητα της υλικής βάσης, αλλά στη σκέψη των προγραμματιστών όταν θέλουν να λύσουν ένα πρόβλημα — χωρίς να απαιτεί από αυτούς να κατανοήσουν κάθε λεπτομέρεια της αρχιτεκτονικής του υπολογιστή και της υλοποίησης», λέει ο Benjamin Bichsel, ένας διδάκτορας και ο υπεύθυνος για την επίβλεψη της Sliq.

Η Silq είναι η πρώτη υψηλού επιπέδου γλώσσα προγραμματισμού για κβαντικούς υπολογιστές, που σημαίνει ότι είναι πιο εκφραστική και απαιτεί λιγότερο κώδικα για να περιγράψει σύνθετες εργασίες και αλγόριθμους. Αυτού του είδους οι γλώσσες είναι πιο εύκολες για τους προγραμματιστές και μπορούν να εφαρμοστούν σε διαφορετικές αρχιτεκτονικές υπολογιστών.

Η νεοαναπτυγμένη γλώσσα αντιμετωπίζει επίσης το ζήτημα των σφαλμάτων. Οι κλασικοί υπολογιστές χρησιμοποιούν τη μέθοδο της αυτόματης διαγραφής των τιμών για να ανακουφίσουν τη μνήμη, που ονομάζεται «συνέλευσή σκουπιδιών». Σε κβαντικούς υπολογιστές, αυτό είναι ένα μεγαλύτερο πρόβλημα λόγω της κβαντικής εντanglement, που μπορεί να προκαλέσει τις προηγουμένως υπολογισμένες τιμές να αλληλεπιδρούν με τις τρέχουσες. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε παρέμβαση με τον σωστό υπολογισμό, οπότε πρέπει να χρησιμοποιηθεί μια προηγμένη τεχνική υπολογισμού.

«Η Silq είναι η πρώτη γλώσσα προγραμματισμού που αυτομάτως αναγνωρίζει και διαγράφει τις τιμές που δεν χρειάζονται πλέον», εξηγεί ο Bichsel.

Για να το κάνει αυτό, χρησιμοποιούνται μόνο εντολές προγραμματισμού που δεν περιέχουν keine đặcικές κβαντικές λειτουργίες στη μέθοδο αντίστροφης υπολογισμού.

«Η ομάδα μας των τεσσάρων έχει επιτύχει το这一 βήμα μετά από δύο χρόνια εργασίας χάρη στη συνδυασμένη εμπειρία σε σχεδιασμό γλωσσών, κβαντική φυσική και υλοποίηση. Αν άλλες ερευνητικές και αναπτυξιακές ομάδες υιοθετήσουν τις καινοτομίες μας, θα είναι μια μεγάλη επιτυχία», λέει ο Bichsel.