Emerging quantum algorithms for problems such as element distinctness, subset sum, and closest pair demonstrate computational advantages by relying on abstract data structures. Practically realizing such an algorithm as a program for a quantum computer requires an efficient implementation of the data structure whose operations correspond to unitary operators that manipulate quantum superpositions of data. To correctly operate in superposition, an implementation must satisfy three properties -- reversibility, history independence, and bounded-time execution. Standard implementations, such as the representation of an abstract set as a hash table, fail these properties, calling for tools to develop specialized implementations. In this work, we present Core Tower, the first language for quantum programming with random-access memory. Core Tower enables the developer to implement data structures as pointer-based, linked data. It features a reversible semantics enabling every valid program to be translated to a unitary quantum circuit. We present Boson, the first memory allocator that supports reversible, history-independent, and constant-time dynamic memory allocation in quantum superposition. We also present Tower, a language for quantum programming with recursively defined data structures. Tower features a type system that bounds all recursion using classical parameters as is necessary for a program to execute on a quantum computer. Using Tower, we implement Ground, the first quantum library of data structures, including lists, stacks, queues, strings, and sets. We provide the first executable implementation of sets that satisfies all three mandated properties of reversibility, history independence, and bounded-time execution.


翻译:针对元素特性、子数和最接近配对等问题的新兴量算法通过依靠抽象数据结构来显示计算优势。在实际实现像量子计算机程序这样的算法时,需要高效地实施数据结构,其操作与操作量子叠加数据的统一操作者相对应。要正确进行叠加,执行必须满足三种特性 -- -- 可逆性、历史独立和约束时间执行。标准执行,例如抽象集成成散列的表示,无法满足这些特性,需要开发专门执行的工具。在这个工作中,我们展示核心塔,这是随机存取存储存储量程序的第一个语言。核心塔使开发者能够将数据结构作为基于指针的链接数据运行者进行。它具有可逆性、可逆性、历史独立和约束性执行。我们介绍博森,第一个内存缩缩图,支持可逆性、历史依赖性和可恒定的记忆分配,在量的超级定位中,我们还使用一种语言进行量子编程的量编程, 塔让开发者将数据结构作为基于指针的固定性数据结构执行, 计算机直径直径结构执行一个系统,所有直径直径直径,我们使用一个直径序列的直径序列执行。

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