[論文レビュー] A Survey of Quantum Programming Languages: History, Methods, and Tools

Donald Sofge|ArXiv.org|Apr 7, 2008

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 32被引用数 4

ひとこと要約

この2008年のサーベイは、2007年末時点での量子プログラミング言語の包括的な概要を提供しており、その歴史的発展をたどり、コアなプログラミング手法を分析し、出現したツールを評価している。量子コンピューティング、プログラミング言語、論理学の分野における多分野的研究を統合し、量子プログラミング言語設計およびツール開発における主な課題を特定するとともに、今後の方向性を提言している。

ABSTRACT

Quantum computer programming is emerging as a new subject domain from multidisciplinary research in quantum computing, computer science, mathematics (especially quantum logic, lambda calculi, and linear logic), and engineering attempts to build the first non-trivial quantum computer. This paper briefly surveys the history, methods, and proposed tools for programming quantum computers circa late 2007. It is intended to provide an extensive but non-exhaustive look at work leading up to the current state-of-the-art in quantum computer programming. Further, it is an attempt to analyze the needed programming tools for quantum programmers, to use this analysis to predict the direction in which the field is moving, and to make recommendations for further development of quantum programming language tools.

研究の動機と目的

• 1990年代の基礎的研究から2007年の最先端状態に至るまでの量子プログラミング言語の歴史的進化を文書化すること。
• 量子回路モデル、量子ラムダ計算、線形論理に基づく形式的体系といった、量子プログラミングで用いられる手法的アプローチを分析すること。
• 量子プログラミングのための提案されたツールや環境を評価し、その機能と制限を検討すること。
• 現在のツールリングにおけるギャップを特定し、今後の量子プログラミング言語開発のための改善を提言すること。
• 出現するトレンドと技術的ニーズに基づいて、量子プログラミング言語研究の今後の動向を予測すること。

提案手法

• 2007年末までに発表された量子プログラミング言語に関する文献レビューを実施し、画期的な研究や新興のフレームワークに焦点を当てる。
• 量子回路に基づく言語、量子ラムダ計算、線形論理に基づくシステムといった、その下位形式別に量子プログラミング言語を分類する。
• QPL、QML、Q言語といった代表的な言語の設計原則と意味論を分析する。
• 量子アルゴリズムの実装を支援する量子シミュレータ、コンパイラ、検証環境といったツールの性能を評価する。
• 量子コンピューティング、プログラミング言語理論、数学的論理を統合した多分野的視点を用いて、言語の表現力と正しさを評価する。
• 得られた知見を統合し、次世代の量子プログラミングツールに求められる主要な要件を特定するフレームワークを構築する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子プログラミング言語の発展を形作った主な歴史的出来事や基礎的研究とは何か？
• RQ2 量子回路、ラムダ計算、線形論理といった異なる形式的体系は、量子プログラミング言語の設計および意味論にどのように寄与しているか？
• RQ3 2007年当時、量子プログラムの実装および検証に利用可能なツールや環境は何か？それらの有効性はいかがであったか？
• RQ4 初期の量子プログラミング言語におけるツールリングおよび言語設計に共通して見られる制限やギャップは何か？
• RQ5 今後の量子プログラミング言語およびその支援エコシステムの開発を導くために、どのようなトレンドや要件を特定できるか？

主な発見

• 量子プログラミング言語は、量子コンピューティング、プログラミング言語理論、数学的論理を統合した学際的研究から生まれており、中核的研究は1990年代半ばまで遡る。
• 量子回路、量子ラムダ計算、線形論理に基づく形式的体系といった主要な形式的体系は、それぞれ異なるが補完的なアプローチを提供し、量子計算のモデル化に貢献した。
• 2007年時点で、QPL、QML、量子シミュレータといった複数のプロトタイプ言語およびツールが開発されていたが、完全な統合や産業規模の支援には至っていなかった。
• 主な制限として、高レベルの抽象化や形式的検証ツールの欠如が指摘され、信頼性の高い量子プログラム開発を妨げていた。
• このサーベイは、今後の量子プログラミングツールが合成性、型安全性、形式的検証をサポートする必要があると結論づけた。
• 分野は成長の兆しを示しており、量子アルゴリズム設計とプログラミング言語工学の間でますます統合が進んでおり、標準的かつ拡張可能な言語フレームワークの必要性が高まっていると予測された。