論文の概要: Quantum Control Machine: The Limits of Control Flow in Quantum
Programming
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2304.15000v4
- Date: Mon, 11 Mar 2024 19:00:32 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2024-03-14 02:13:00.288802
- Title: Quantum Control Machine: The Limits of Control Flow in Quantum
Programming
- Title（参考訳）: 量子制御マシン:量子プログラミングにおける制御フローの限界
- Authors: Charles Yuan, Agnes Villanyi, Michael Carbin
- Abstract要約: 本稿では、量子コンピュータ上で正しく実現可能な制御フローの抽象化特性の完全な評価を行う。
この設計により、開発者は論理ゲートの代わりにプログラムカウンタを使用して量子アルゴリズムの制御フローを正しく表現できる。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 10.655710695515044
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: Quantum algorithms for tasks such as factorization, search, and simulation
rely on control flow such as branching and iteration that depends on the value
of data in superposition. High-level programming abstractions for control flow,
such as switches, loops, and higher-order functions, are ubiquitous in
classical languages. By contrast, many quantum languages do not provide
high-level abstractions for control flow in superposition, and instead require
the use of hardware-level logic gates to implement such control flow.
The reason for this gap is that whereas a classical computer supports control
flow using a program counter that can depend on data, the typical architecture
of a quantum computer does not provide a program counter that can depend on
data in superposition. As a result, the complete set of control flow
abstractions that can be correctly realized on a quantum computer has not yet
been established.
In this work, we provide a complete characterization of the properties of
control flow abstractions that are correctly realizable on a quantum computer.
First, we prove that even on a quantum computer whose program counter exists in
superposition, one cannot correctly realize control flow in quantum algorithms
by lifting the classical conditional jump instruction to work in superposition.
This theorem denies the ability to directly lift general abstractions for
control flow such as the $\lambda$-calculus from classical to quantum
programming.
In response, we present the necessary and sufficient conditions for control
flow to be correctly realizable on a quantum computer. We introduce the quantum
control machine, an instruction set architecture featuring a conditional jump
that is restricted to satisfy these conditions. We show how this design enables
a developer to correctly express control flow in quantum algorithms using a
program counter in place of logic gates.
- Abstract（参考訳）: 因子化、探索、シミュレーションなどのタスクの量子アルゴリズムは、重ね合わせにおけるデータの値に依存する分岐や反復のような制御フローに依存している。
スイッチ、ループ、高階関数などの制御フローのための高レベルプログラミング抽象化は、古典言語においてユビキタスである。
対照的に、多くの量子言語は重ね合わせにおける制御フローの高レベルな抽象化を提供しておらず、そのような制御フローを実装するためにハードウェアレベルの論理ゲートを使用する必要がある。
このギャップの理由は、古典的なコンピュータがデータに依存するプログラムカウンタを使用して制御フローをサポートするのに対して、量子コンピュータの典型的なアーキテクチャは重ね合わせのデータに依存するプログラムカウンタを提供しないからである。
その結果、量子コンピュータ上で正しく実現可能な制御フロー抽象化の完全なセットはまだ確立されていない。
本研究では,量子コンピュータ上で正しく実現可能な制御フロー抽象化の特性について,完全な評価を行う。
まず,プログラムカウンタが重ね合わせにある量子コンピュータ上でも,古典的な条件付きジャンプ命令を重ね合わせで動作させることで,量子アルゴリズムの制御フローを正しく実現できないことを証明する。
この定理は、古典プログラミングから量子プログラミングへの$\lambda$-calculusのような制御フローの一般的な抽象化を直接持ち上げる能力を否定している。
これに対し、制御フローが量子コンピュータ上で正しく実現可能な必要かつ十分な条件を提示する。
本稿では,これらの条件を満たすために制限された条件ジャンプを含む命令セットアーキテクチャである量子制御機を紹介する。
この設計により、開発者は論理ゲートの代わりにプログラムカウンタを使用して量子アルゴリズムの制御フローを正しく表現できることを示す。
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