Intuitiivinen ohjelmointikieli kvanttitietokoneille

ETH Zürichin tietotekniikan teknikot ovat kehittäneet ensimmäisen kvanttiohjelmointikielen, joka mahdollistaa monimutkaisten laskelmien ratkaisun tyylikkäästi, yksinkertaisesti ja turvallisesti.

Viime aikoina on saavutettu useita teknisiä edistysaskeleita tehokkaiden kvanttitietokoneiden kehittämisessä.

Nyt ETH Zürichin tietotekniikan tutkijat ovat tehneet tärkeän läpimurron ohjelmointikielten alalla: heidän kvanttiohjelmointikielensä on ensimmäinen laatuaan, joka on yhtä tyylikäs, yksinkertainen ja turvallinen kuin klassiset tietokonekielet.

"Kvanttitietokoneiden ohjelmointi on edelleen haaste tutkijoille", sanoo professori Martin Vechev, ETH:n Secure, Reliable and Intelligent Systems Labista (SRI). "Sen vuoksi olen niin innoissani, että voimme nyt jatkaa ETH Zürichin perinteitä kvanttitietokoneiden ja ohjelmointikielten kehittämisessä."

"Kvanttiohjelmointikielemme Silq mahdollistaa ohjelmoijien hyödyntää kvanttitietokoneiden mahdollisuuksia paremmin kuin nykyisten kielten kanssa, koska koodi on kompakti, nopeampi, intuitiivisempi ja ohjelmoijille helpompi ymmärtää."

Vechev esittelee Silqin tällä viikolla muille alan asiantuntijoille ohjelmointikielien PLDI 2020 -konferenssissa. Keskustelemisen, omaksumisen ja jatkokehityksen helpottamiseksi tutkijat ovat myös julkaisseet Silqin omalla verkkosivustollaan ( silq.ethz.ch).

Kvanttilaskennan potentiaalin hyödyntäminen ei edellytä vain uusinta tekniikkaa, vaan myös kvanttiohjelmointikieltä kvanttialgoritmien kuvaamiseksi.

Nykyiset kvanttiohjelmointikielet ovat tiiviisti sidoksissa tiettyyn laitteistoon. Ohjelmoijille nämä ”laitteistokuvauskielet” ovat hankalia, koska yksittäisten ohjelmointiohjeiden on oltava erittäin yksityiskohtaisia.

”Silq on ensimmäinen kvanttiohjelmointikieli, jota ei ole suunniteltu ensisijaisesti laitteiston rakenteen ja toiminnallisuuden ympärille, vaan ohjelmoijien ajattelutavalle, ”Sanoo Vechevin ryhmän jatko-opiskelija Benjamin Bichsel, joka valvoo Silqin kehitystä.

Silq on ensimmäinen kvanttitietokoneiden korkean tason ohjelmointikieli. Se tarkoittaa, että se voi kuvata jopa monimutkaisia tehtäviä ja algoritmeja vähemmällä koodilla. Tämä tekee koodeista ymmärrettävämpiä ja helpompaa käyttää ohjelmoijille. Niitä voidaan käyttää myös erilaisissa tietokonearkkitehtuureissa.

Suurin innovaatio ja yksinkertaistaminen, jonka Silq tuo kvanttiohjelmointikieliin, koskee virheiden lähdettä, joka on tähän mennessä vaivannut kvanttiohjelmointia. Tietokone laskee tehtävän useissa välivaiheissa, mikä luo välituloksia tai väliaikaisia arvoja.

Muistin vapauttamiseksi klassiset tietokoneet poistavat nämä arvot automaattisesti. Tietotekniikassa tähän viitataan "roskien keräilynä", koska tarpeettomat väliaikaiset arvot hävitetään. Kvanttitietokoneiden tapauksessa tämä hävittäminen on hankalampaa kvanttilomittumisesta joutuen: aiemmin lasketut arvot voivat olla vuorovaikutuksessa sillä hetkellä käytettävien kanssa.

"Silq on ensimmäinen ohjelmointikieli, joka tunnistaa ja poistaa arvot, joita ei enää tarvita", Bichsel selittää. Tietotekniikan tutkijat saavuttivat tämän soveltamalla taitojaan klassisista ohjelmointikielistä: heidän automaattinen laskentamenetelmänsä käyttää vain ohjelmointikomentoja, jotka eivät sisällä mitään erityisiä kvanttitoimintoja - ne ovat "qfree", kuten Vechev ja Bichsel sanovat.

”Silq on merkittävä läpimurto kvanttitietokoneiden ohjelmoinnin optimoinnissa; se ei ole kehitystyön viimeinen vaihe”, Vechev sanoo. Avoimia kysymyksiä on vielä monia, mutta koska Silq on helpompi ymmärtää, Vechev ja Bichsel toivovat edistävänsä sekä kvanttiohjelmointikielten kehittämistä että uusien kvanttialgoritmien teoriaa ja kehittämistä.

”Neljän hengen ryhmämme on tehnyt läpimurron kahden vuoden työn jälkeen erilaisten kielisuunnittelun, kvanttifysiikan ja toteutuksen asiantuntemuksen yhdistämisen ansiosta. Jos muut tutkimus- ja kehitysryhmät omaksuvat innovaatiomme, se on suuri menestys”, Bichsel sanoo.

Aiheesta aiemmin:

Luvassa uusi läpimurto kvanttitietotekniikassa

Edistysaskeleita kvanttitietotekniikalle

Tuleeko kvanttitietokoneesta todellisuutta?