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因式分解、搜索和模拟等任务的量子算法依赖于控制流，例如分支和迭代，这些控制流取决于叠加数据的值。控制流的高级编程抽象，例如开关、循环、高阶函数和延续，在经典语言中无处不在。相比之下，许多量子语言不提供叠加控制流的高级抽象，而是需要使用硬件级逻辑门来实现这种控制流。造成这种差距的原因是，虽然经典计算机使用可以依赖于数据的程序计数器来支持控制流抽象，但量子计算机的典型架构并不类似地提供可以依赖于叠加数据的程序计数器。因此，可以在量子计算机上正确实现的完整控制流抽象集尚未建立。在这项工作中，我们对可以在量子计算机上正确实现的控制流抽象的属性进行了完整的描述。首先，我们证明，即使在程序计数器处于叠加态的量子计算机上，也无法通过将经典条件跳转指令提升到叠加态来正确实现量子算法中的控制流。该定理否定了将控制流的一般抽象（例如 𝜆 演算）直接从经典编程提升到量子编程的能力。作为回应，我们提出了在量子计算机上正确实现控制流的必要和充分条件。我们引入了量子控制机，这是一种指令集架构，其条件跳转被限制为满足这些条件。我们展示了这种设计如何使开发人员能够使用程序计数器代替逻辑门来正确表达量子算法中的控制流。
量子控制机器 - arXiv
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