10、量子软件工程的形式化方法：从理论到实践

量子软件工程的形式化方法：从理论到实践

1. 引言

量子计算（QC）是计算系统的未来，但用于推理量子计算模型的工具，目前仍主要是线性代数和狄拉克符号，这些更适合物理学家，而非计算机科学家和软件工程师。为了提供一种更直观且高完整性的方法来思考和编写量子计算系统，我们引入了Zed（Z）规范语言，通过公理化定义来表示量子计算机的操作，这一新兴领域被称为形式化量子软件工程（F - QSE）。

2. 形式化方法概述

形式化方法（FM）是经典软件工程的工具，其特点是将复杂系统视为数学实体进行建模和处理。在量子计算中使用形式化方法有诸多好处：
- 帮助更好地理解和推理量子系统的属性。
- 以更自然的方式描述量子结构和设计量子算法，同时保持数学严谨性。

使用形式化规范（FS）设计量子计算系统时，我们会开发一组关于该系统的定理，证明这些定理的正确性可以确保系统的正确行为。FS采用数学符号准确描述系统的特性和行为，而不限制具体实现方式。它在系统开发过程中很有帮助，能让我们自信地回答关于系统功能的关键问题，无需解读大量代码或分散的注释。虽然FS独立于编程代码，可在开发早期完成，但可能需要根据设计变更、添加或客户需求进行修改，它也是促进项目参与者对系统达成共识的宝贵工具。

3. Z规范语言

我们选择Z作为FS语言，原因如下：
- 它是描述和建模经典计算系统最广泛使用的形式语言之一。
- 所需的离散数学相对容易，比理工科学生学习的微积分简单。

Z规范语言基于类型理论，允许通过详细的数学符号和一阶谓词逻辑对系统的属性进行推理。它由Jean - Raymond Abrial于1977