VOLUME III · Program semantics
指称语义
Denotational Semantics
介绍把量子程序映射为线性算子、超算子或 CP(TNI) 映射的指称语义。
Denotational semantics 为每个程序构造赋予一个数学对象,使程序组合对应对象的组合。对有限维量子系统,常把命令解释为 completely positive trace-nonincreasing map(CPTNI);没有失败或提前终止时则是 trace-preserving。若程序 后接 ,其含义是 。并行系统通常使用 tensor product。相关的 categorical view 见量子态与量子操作。
基本构造
skip 解释为恒等映射 ;unitary 解释为
而 Kraus 表示为 。测量若保留 outcome,可把结果放在 classical-quantum 状态中;若 outcome 被 discard,则把各分支映射相加。例如 projective measurement 的无条件语义为 ,这会去掉相应基底间的相干项。这样的区分是指称语义中“观察结果是否可用”的一部分。
语义关系与边界
操作语义逐步描述配置如何变化,指称语义直接描述最终映射;二者若满足 adequacy 或 full abstraction 等关系,才能把程序推理转移到数学模型。循环、递归和非终止需要不动点或部分映射,含 classical store 时还要扩展状态空间。CPTNI 模型不自动涵盖所有开放系统细节、有限精度或硬件噪声。本文给出教学级骨架,不声称为某个具体语言完成了语义正确性证明。可用最弱前置条件把该映射转为 predicate transformer。
参考文献:
- Selinger,Towards a quantum programming language,Cambridge DOI。
- Abramsky 与 Coecke,A categorical semantics of quantum protocols,arXiv:quant-ph/0402130。
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