虽然量子计算这一新生领域可能会让人觉得华而不实、充满未来感，但量子计算机有潜力在经典无法解决的任务中实现计算突破，比如密码和通信协议、搜索以及计算物理和化学。信用:格雷厄姆·卡洛/IBM时间水晶。微波炉。钻石。这三个完全不同的东西有什么共同点？量子计算。与使用比特的传统计算机不同，量子计算机使用量子比特将信息编码为0或1，或者同时编码为0和1。再加上量子物理学的混合力量，这些冰箱大小的机器可以处理大量信息——但它们远非完美无缺。就像我们的普通计算机一样，我们需要有正确的编程语言才能在量子计算机上正确计算。
编程量子计算机需要对“纠缠”的认知，这是一种量子比特的计算乘数，可以转化为很大的能量。当两个量子比特纠缠在一起时，一个量子比特上的动作可以改变另一个量子比特的值，即使它们在物理上是分开的，这就产生了爱因斯坦对“幽灵般的远距离动作”的描述但是这种能力也是弱点的来源。编程时，丢弃一个量子位而不考虑它与另一个量子位的纠缠会破坏存储在另一个量子位中的数据，危及程序的正确性。
麻省理工学院计算机科学和人工智能(CSAIL)的科学家们旨在通过创建他们自己的量子计算编程语言Twist来解开一些谜团。Twist可以通过一种经典程序员能够理解的语言来描述和验证量子程序中哪些数据是纠缠在一起的。这种语言使用了一个叫做纯净的概念，它加强了没有纠缠的情况，并产生了更直观的程序，理想情况下错误更少。例如，程序员可以用Twist来说，程序作为垃圾生成的临时数据不会与程序的答案纠缠在一起，从而可以安全地丢弃。
尽管这个新生领域可能会让人觉得有点浮华和未来感，脑海中会浮现出巨大的金属丝般的黄金机器的图像，但量子计算机在经典的无法解决的任务中具有计算突破的潜力，比如密码和通信协议、搜索以及计算物理和化学。计算科学的关键挑战之一是处理问题的复杂性和所需的计算量。经典的数字计算机需要非常大的指数位数来处理这样的模拟，而量子计算机可以用非常少的量子比特来完成——如果有正确的程序的话。
麻省理工学院电气工程和计算机科学博士研究生查尔斯·袁(Charles Yuan)是一篇关于Twist的新论文的主要作者，他说:“我们的语言Twist允许开发人员通过明确声明一个量子比特何时不能与另一个量子比特纠缠在一起来编写更安全的量子程序。“因为理解量子pro grams需要理解纠缠，我们希望Twist能够为语言铺平道路，让程序员更容易理解量子计算的独特挑战。”
袁和麻省理工学院电子研究实验室的电气工程和计算机科学博士生以及麻省理工学院助理教授迈克尔·卡宾一起写了这篇论文。他们在上周费城举行的2022年编程原理研讨会上介绍了这项研究。
解开量子纠缠
想象一下，一个木箱有一千根电缆从一侧伸出来。你可以把任何一根电缆从盒子里一路拉出，或者一路推入。
这样做一段时间后，电缆会形成一个比特模式——0和1——这取决于它们是在输入还是输出。这个盒子代表了一台经典计算机的记忆。这台计算机的程序图是一系列关于何时以及如何拉动电缆的说明。
现在想象第二个看起来一模一样的盒子。这一次，你拉动一根电缆，看到当它出现时，另外几根电缆被拉回到里面。很明显，在盒子里，这些电缆以某种方式相互缠绕。
第二个盒子是量子计算机的类比，理解量子程序的意义需要理解其数据中存在的纠缠。但是探测纠缠并不容易。你看不到木箱，所以你能做的最好的事情就是试着拉紧电缆，仔细推理哪些电缆被缠住了。同样，今天的量子程序员不得不用手来推理纠缠。这就是扭转的设计有助于按摩一些交错的部分。
科学家们设计了Twist，使其具有足够的表现力，可以为众所周知的量子算法编写程序，并识别其实现中的bug。为了评估Twist的设计，他们修改了程序，引入了某种对人类程序员来说相对微妙的bug来检测，并表明Twist可以自动识别bug并拒绝程序。
他们还测量了这些程序在运行时方面的实际表现，与现有的量子编程技术相比，运行时的开销不到4%。
袁说，对于那些担心量子计算机在破解加密系统的潜力方面名声“不佳”的人来说，目前还不太清楚量子计算机实际上能在多大程度上实现其性能承诺。“后量子密码术领域正在进行大量研究，这是因为即使是量子计算也不是万能的。到目前为止，有一组非常具体的应用，在这些应用中，人们开发出了量子计算机可以超越经典计算机的算法和技术。”
重要的下一步是使用Twist创建更高级别的量子编程语言。今天，大多数量子编程语言仍然类似于汇编语言，将低级操作串联在一起，没有对数据类型和函数以及经典软件工程中典型的东西进行正念。
“量子计算机容易出错，也很难编程。芝加哥大学计算机科学Seymour Goodman教授、Super.tech首席科学家Fred Chong说:“通过介绍和推理程序代码的‘纯度’，Twist向简化量子编程迈出了一大步，它保证了一段纯代码中的量子位不会被不在该代码中的bits改变。”
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