Qalc

Qalc es un compilador para un lenguaje funcional con tipado estático fuerte, orientado a computación cuántica, escrito como un workspace de Rust. Su objetivo es abstraer la complejidad física de los circuitos cuánticos y ofrecer un modelo de programación de alto nivel, seguro y verificado en tiempo de compilación. La salida del compilador es OpenQASM 3.

El lenguaje ofrece lambdas, pattern matching, tipos lineales, aplicación parcial y bloques monádicos.

El lenguaje

Qalc es funcional y de tipado estático con inferencia de tipos Hindley-Milner. Sus rasgos principales son:

• Tipos lineales. Los recursos cuánticos (qcirc, qbool, qi16, qu8, qnum) deben usarse exactamente una vez: no se pueden clonar ni descartar. El compilador rechaza fugas (uso 0) y duplicaciones (uso >1), garantizando el teorema de no-clonación de forma estática.
• Sin recursión ni bucles. La recursión está prohibida para que el inlining (beta-reducción total) siempre termine. La iteración se expresa con la primitiva repeat.
• Separación clásico/cuántico. Los parámetros y el resultado de main deben ser tipos clásicos; esto permite traducirlos directamente a los modificadores input/output de OpenQASM 3 y producir circuitos paramétricos.
• Bloques monádicos (linear { ... }) para secuenciar operaciones con efectos, y el operador pipe |> para encadenar transformaciones.
• Identificadores de operador con backticks (`+`, `==`) que permiten definir funciones invocables tanto con sintaxis infija como prefija.

Ejemplo: estado de Bell

main :: f64 -> qio<u8>
main theta = qcirc 2 |> at 0 H |> controlled 0 1 X |> rz theta |> measure;

main toma un ángulo clásico (f64) como input del circuito, construye un registro cuántico de 2 cúbits, le aplica una Hadamard sobre el cúbit 0, un CNOT controlado, una rotación rz parametrizada y finalmente lo mide.

En examples/ hay ejemplos más completos, incluyendo un algoritmo de Grover de 2 bits (grover_2bit.qalc) con un sumador ripple-carry y un comparador de igualdad construidos a partir de puertas reales, además de varios ejemplos que ilustran errores capturados por el compilador (fuga de recursos, no-clonación, tipos).

Arquitectura del compilador

El compilador es un pipeline donde cada fase transforma el programa en una representación más rica:

Texto fuente
  → [qalc-parser]                     ConcreteAST     (gramática PEG con Pest)
  → [qalc-analysis/normalizer]        NormalizedAST   (desugaring + simplificación)
  → [qalc-analysis/recursion_checker] NormalizedAST   (rechaza recursión)
  → [qalc-analysis/hm_inferrer]       TypedAST        (inferencia de tipos HM)
  → [qalc-analysis/inliner]           FlatAST         (beta-reduce todas las llamadas no-builtin)
  → [qalc-analysis/linear_checker]    FlatAST         (cada recurso lineal usado una vez)
  → [qalc-codegen]                    OpenQASM 3      (texto)

Cada fase implementa el trait CompilerStep, con tipos de entrada y salida separados. Todos los nodos del AST son genéricos sobre una implementación de ASTMetadata, lo que permite que los mismos tipos de nodo lleven metadatos distintos en cada fase (por ejemplo Span en el AST concreto/normalizado y TypeMetadata en el AST tipado).

Estructura del workspace

Crate	Rol
qalc-utils	Base: Source, Span, Diagnostic, trait CompilerStep
qalc-ast	Todos los tipos de AST: concreto, normalizado, tipado, plano, scope
qalc-builtins	BuiltinDef y standard_builtins() (aritmética + puertas cuánticas + efectos)
qalc-parser	Texto → ConcreteAST mediante Pest PEG + parsing de Pratt
qalc-analysis	ConcreteAST → NormalizedAST → TypedAST → FlatAST, más los checkers de recursión y linealidad
qalc-codegen	FlatAST → OpenQASM 3 (experimental)
qalc-cli	Ejecutable de entrada (emite OpenQASM 3 por stdout, volcados JSON intermedios por stderr)

Otros directorios:

• examples/ — programas de ejemplo en Qalc.
• report/ — memoria técnica del proyecto (TFG) en LaTeX.
• scripts/ — utilidades auxiliares (p. ej. render_qasm.py).

Compilación y uso

# Compilar todos los crates
cargo build

# Ejecutar el compilador sobre un fichero fuente
cargo run -p qalc-cli -- examples/bell.qalc

# Ejecutar todos los tests
cargo test

# Formatear (indentación de 2 espacios)
cargo fmt

El CLI emite el OpenQASM 3 resultante por stdout y los volcados intermedios del AST en JSON por stderr.

Licencia

© Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-CompartirIgual 4.0 Internacional.