НАЗВАНИЕ ПРОЕКТА РФФИ

Исследование методов построения квантовых симуляторов и разработка модели квантового вычислителя

НОМЕР ПРОЕКТА РФФИ

15-01-01270

ФАМИЛИЯ, ИМЯ, ОТЧЕСТВО РУКОВОДИТЕЛЯ ПРОЕКТА

Гузик Вячеслав Филиппович

 

Полученные в 2015 году важнейшие результаты

В результате исследований по тематике проекта был разработан и исследован оптимальный подход к реализации симуляторов квантовых вычислителей, была разработана обобщенная модульная структура симулятора квантовых вычислений, вследствие чего сформирована система основных требований к архитектуре и работе симулятора квантового вычислителя. Исследованы наиболее проработанные представители сред моделирования различных классов, отличающиеся как подходами к процессу моделирования, так и решениями в области пользовательского интерфейса: QCE, jaQuzzi, jQuantum, QCAD, Zeno, QuantumFog, SimQubit, QuantumConstruct (qC++), QuIDDProq, MIPS QuCoSi, Qubiter, Libquantum, Cove, QDD, PyQu, QGAME, Eqcs и другие (общим числом более 65). Реализовано разграничение характеристик симуляторов (моделей) квантовых вычислителей на соответствующие модули, входящие в состав симуляторов и выявлены характеристики моделей квантовых вычислителей и предполагаемая этими характеристиками программная функциональность модели. Исследованы и описаны возможности существующих моделей, в результате чего было реализовано сравнение, суммарная оценка моделей по всем характеристикам.

Разработанная система характеристик существующих моделей квантовых вычислителей позволила, провести полный факторный эксперимент с использованием дробных реплик, составлением матрицы эксперимента и математической модели. Реализована обработка экспериментальных данных с помощью регрессионного анализа, наглядно иллюстрируемая диаграммой рассеяния, F-критерия Фишера, анализа случайных ошибок параметров a, b и коэффициента корреляции rxy, t-статистики Стьюдента и критерия Дарбина-Уотсона, вследствие чего с помощью линейной парной корреляции rxy и детерминации R2 была доказана достаточно высокая для 14-факторного эксперимента связность характеристик моделей квантовых вычислителей. Также, для сравнения и проверки полученных данных, реализован эксперимент с использованием частных парных связей между характеристиками с целью выяснения их степени связности и взаимозависимости.

Определены основные компоненты для построения открытой модульной модели квантовых вычислительных устройств и подробно описаны, также реализован один из наиболее оптимальных, с точки зрения построения и работы, вариантов архитектуры модели квантового симулятора. Разработан набор функций, который должен быть реализован в математическом ядре, и их количественный показатель, и программная реализация модели с описанием этапов ее работы.

Разработан набор принципов построения архитектуры моделей квантовых вычислителей, как базис универсальных принципов, требований и правил успешной реализации архитектуры и моделей квантовых вычислителей в целом.

Проведено исследование по разработке системы требований к моделированию структурных элементов квантового вычислителя. В ходе исследования были рассмотрены три подхода к построению математического и алгоритмического ядра модели, а именно: классический подход; подход с использованием квантовых информационных диаграмм решений (QuIDD); подход с использованием алгоритма, оптимизирующего и ускоряющего работу при моделировании квантовых алгоритмов. Данные подходы были проанализированы на скорость работы и возможность использования в предлагаемой в Проекте архитектуре симулятора квантового компьютера с аппаратным ускорителем. На основе анализа был выбран подход,

использующий алгоритм оптимизации. Проведена разработка схемы взаимодействия структурных элементов квантового вычислителя для последующего анализа блоков, необходимых для реализации в симуляторе.

На основе анализа была предложена схема, в которой присутствует следующий набор элементов: элемент, отвечающий за инициализацию квантового регистра, который устанавливает значения амплитуд кубитов на начальном этапе. Следующим элементов является блок, который ответственен за преобразование квантового регистра при помощи специальных операций – квантовых вентилей. Последним элементов является блок, измеряющий состояние квантовой системы. Аналогично, данные элементы будут отражены в разрабатываемой модели квантового компьютера. Предложена структурная схема аппаратного ускорителя для увеличения производительности моделируемых квантовых вычислений. Аппаратный ускоритель задействуется на этапе преобразования модели квантового регистра. Была проведена разработка структурной схемы модуля связи аппаратного ускорителя и программной модели. Так как в Проекте планируется использование, как программного симулятора, так и аппаратного ускорителя, было решено обособить программное ядро от вычислительного ядра ускорителя при помощи подсистемы интерпретации команд. При помощи данной промежуточной системы появляется возможность независимо от аппаратного ускорителя произвести моделирования квантового алгоритма.

Аннотации к публикациям

1. Гузик В.Ф., Гушанский С.М., Потапов В.С. Исследование и разработка модели квантового вычислителя //LAP Lambert Academic Publishing, Germany. ISBN- 978-3-659-75872-0. – 2015. – 128 c.

В монографии проведены исследования наиболее оптимального подхода к реализации моделей квантовых вычислителей, предложена обобщенная модульная структура модели квантовых вычислений и основные требования к архитектуре и работе модели квантового вычислителя. Выполнено разграничение характеристик моделей квантовых вычислителей на соответствующие модули, входящие в ее состав и предполагаемая этими характеристиками программная функциональность модели. Рассматриваются основные компоненты для построения открытой модульной модели квантовых вычислительных устройств и подробно описаны. Также выполнена программная реализация модели и описаны этапы ее работы. Выведены функциональности количества сторонних модулей, их графические (интерфейс) составляющие, вследствие чего произведено разграничение модели на обособленные модули, входящие в ее состав. Описана интерфейсная часть модели и место в ней вспомогательных модулей и библиотек. Произведен анализ основных процессов, протекающих в модели квантового вычислителя.

2. Гузик В.Ф., Гушанский С.М., Поленов М.Ю., Потапов В.С. Реализация компонентов для построения открытой модульной модели квантовых вычислительных устройств // Информатизация и связь. – 2015, № 1. – С. 44-48.

В работе выделены и подробно описаны основные компоненты для построения открытой модульной модели квантовых вычислительных устройств. Рассмотрен один из вариантов архитектуры модели квантового симулятора. Выполнено разграничение модели на соответствующие модули, входящие в ее состав. Предложен набор функций, который необходимо реализовать в математическом ядре.

3. Гузик В.Ф., Гушанский С.М., Потапов В.С. Определение оптимального уровня модульности модели квантового вычислителя // Информатизация и связь. – 2015, № 3. – С.98-100.

В статье предполагается описание основ модульности модели квантового вычислителя и представление модуля в разных языках. Рассмотрены языки модульной направленности и модульная

организация модели как структуры и программы. Выполнено разграничение модели на соответствующие модули, входящие в ее состав. Предложена универсальная формула расчета количества модулей модели, а также выделены и подробно описаны основные ее составляющие.

4. Гузик В.Ф., Гушанский С.М., Потапов В.С. Проведение полного факторного эксперимента для характеристик модели квантового вычислителя // Известия ЮФУ. Технические науки. Компьютерные и информационные технологии в науке, инженерии и управлении. – Ростов-на-Дону: Изд-во ЮФУ, 2015, № 3 (164). – С. 46-54.

В работе выделены основные характеристики существующих симуляторов квантовых вычислителей, необходимые для их успешной работы. Проведен и подробно описан полный факторный эксперимент для характеристик моделей с применением метода дробных реплик. В рамках эксперимента составлены матрица эксперимента, математическая модель и соответствующее им уравнение линейной регрессии. Выполнена обработка экспериментальных данных с помощью регрессионного анализа, F-критерия Фишера, анализа случайных ошибок параметров a, b и коэффициента корреляции, t-статистики Стьюдента и критерия Дарбина-Уотсона, вследствие чего с помощью линейной парной корреляции и детерминации доказана достаточно высокая для 14-факторного эксперимента связность характеристик моделей квантовых вычислителей. Также проанализированы частные парные связи между характеристиками.

5. Гузик В.Ф., Ляпунцова Е.В., Гушанский С.М. Построение квантовых симуляторов для исследования квантовых алгоритмов // Вестник Российской Академии естественных наук. – 2015, №5. – С.11-15.

В работе предлагается описание основ построения квантовых симуляторов для исследования квантовых алгоритмов. Проанализированы общий подход к моделированию квантовых вычислений и структура симулятора квантового вычислителя, а также математическое ядро модели квантового вычислителя. Рассмотрены средства создания ядра квантового вычислителя и вопросы по построению интерфейса пользователя.

6. Guzik V., Gushanskiy S., Polenov M., Potapov V. Models of a quantum computer, their characteristics and analysis // 2015 9th International Conference on Application of Information and Communication Technologies (AICT). – Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2015. – P. 583-587.

В работе определен оптимальный подход к реализации симуляторов квантовых вычислителей, проведена дифференциация характеристик симуляторов квантовых вычислителей в соответствие с функциональными группами. Разработана классификация характеристик симуляторов квантовых вычислителей и ожидается, что эти функциональные характеристики существенным образом повысят эффективность разработки программного обеспечения симуляторов квантовых вычислителей. Рассмотрены математические модели квантовых вычислителей, а также их преимущества и недостатки. Описаны основные компоненты и объекты, которые используются в симуляторах квантовых вычислителей.

7. Гузик В.Ф., Гушанский С.М., Потапов В.С. Планирование эксперимента по нахождению оптимальной модели квантового вычислителя //Актуальные вопросы технических наук в современных условиях/Сборник научных трудов по итогам международной научно-практической конференции.– Санкт-Петербург, 2015, № 2.– С.49-53.

В работе рассмотрены характеристики традиционных симуляторов квантовых вычислителей. Проведен полный факторный эксперимент, составлены матрица эксперимента и математическая модель. Была выполнена обработка экспериментальных данных с помощью регрессионного анализа и метода наименьших квадратов, вследствие чего было доказано, что предложенная модель с набором характеристик адекватна.

8. Потапов В.С. Гузик В.Ф., Гушанский С.М. Модель квантовых вычислений // Образование и наука: современное состояние и перспективы развития / Сборник статей Международной научно-практической конференции, г. Тамбов, 29.09.2015 г. – 2015, №8 .– C.761-765.

В статье выделены основные понятия теории квантовых вычислителей, такие как кубит, квантовый регистр или суперпозиция, предложена схематическая структура модели квантовых вычислений и взаимосвязь составляющих ее элементов с их подробным описанием и функциональностью. Выделены основные методы измерения состояния квантовой системы в определенный период ее работы.

9. Гузик В.Ф., Гушанский С.М., Кубраков Е.С. Метод для связи программной модели квантового компьютера с аппаратным ускорителем // Перспективы развития науки и образования/ Сборник статей Международной научно-практической конференции, г. Тамбов, 31.10.2015 г. – 2015, №10-3 .– C.86-92.

В работе рассмотрено участие аппаратного ускорителя в процессе моделирования квантовых вычислений. Так как на сегодняшний день существует огромное количество различных симуляторов квантового компьютера, была предложена структура связи вычислительного ядра, программной модели и аппаратного ускорителя при помощи промежуточного представления – специальных команд, направленных на управление и передачу данных в системе моделирования.

10. Гузик В.Ф., Гушанский С.М., Потапов В.С. Открытая архитектура модели квантового вычислителя // X Международная научно-практическая конференция: «Научные перспективы XXI века. Достижения и перспективы нового столетия» (Россия, г. Новосибирск, 17-18.04.2015 г.). Часть 4. Технические науки.– Новосибирск, 2015, № 3(10).– С. 137-140.

Работа посвящена описанию основных принципов открытой архитектуры в рамках моделей квантовых вычислителей. В статье проиллюстрирована подробная схема открытой архитектуры МКВ, описана работа основных ее составляющих, а также выделены ее сильные стороны. Проанализировано и отображено схематически возможное добавление сторонних модулей, написанных на разных языках и разными инструментами, в модель в рамках терминов открытой архитектуры модели квантового вычислителя.

11. Гузик В.Ф., Гушанский С.М., Потапов В.С. Разработка системы требований к архитектуре квантового вычислителя // Национальная ассоциация ученых (НАУ) №1 (6), 2015 / Технические науки. – Екатеринбург, 2015.– С.127-130.

В статье рассмотрен оптимальный подход к реализации моделей квантовых вычислителей, предложена обобщенная модульная структура модели квантовых вычислений. Выделены основные требования к архитектуре и работе модели квантового вычислителя. Выполнено разграничение характеристик моделей квантовых вычислителей на соответствующие модули, входящие в ее состав.

12. Потапов В.С. Гузик В.Ф., Гушанский С.М. Реализация модулей эмуляции квантовых алгоритмов и квантовых языков программирования в модели квантового вычислителя // Молодые ученые в решении актуальных проблем науки / Сборник статей VI Международной научно-практической конференции, г. Владикавказ, 19.06.2015. – С. 97-101.

Данная статья посвящена описанию основных принципов реализации алгоритмов в рамках моделей квантовых вычислителей. В работе выделены основные квантовые алгоритмы, описаны их теоретические и программные реализации. Проанализировано и отображено время работы конкретного квантового преобразования (алгоритма) с необходимым для этого количеством параметром (время, число кубитов). Показана реализация как модулей эмуляции квантовых алгоритмов и среды разработки квантовых вычислений (квантовое программирование), так и всей модели квантового вычислителя в целом.

13. Гузик В.Ф., Гушанский С.М., Левицкий А.А. Ускорение моделирования квантовых вычислений с использованием ПЛИС // Технологии разработки информационных систем: сборник статей международной научно-практической конференции. − Таганрог: Издательство ЮФУ, 2015. – С.80-85.

В работе рассматривается возможность выполнения моделирования квантовых вычислений классическими вычислительными устройствами. Показана реализация и значительное ускорение моделирования квантового алгоритма с применением ПЛИС.

14. Гузик В. Ф., Гушанский С. М., Потапов В.С. Разработка вычислительного ядра модели квантового вычислителя // Технологии разработки информационных систем: сборник статей международной научно-практической конференции. − Таганрог: Издательство ЮФУ, 2015. – С.117-122.

В работе предлагается описание вычислительного математического ядра модели квантового вычислителя. Рассмотрен набор функций, которые необходимо реализовать в вычислительном ядре и их количественный показатель. Выполнено разграничение модели на соответствующие модули, входящие в ее состав. Произведено выведение функциональности количества сторонних модулей, их графические (интерфейс) составляющие, вследствие которой произведено разграничение модели на обособленные модули, входящие в ее состав. Описана интерфейсная часть модели и места в ней вспомогательных модулей и библиотек.

15. Гузик В.Ф., Гушанский С.М., Потапов В.С. Алгоритм работы основных элементов модели квантового вычислителя // Современные информационные технологии: тенденции и перспективы развития: материалы конференции / Ред. Л.А. Крукиер, Г.В. Муратова, В.Ю. Тополов ; Южный федеральный университет. – Ростов-на-Дону: Издательство Южного федерального университета, 2015. – С.160-162.

В работе проведен анализ основных процессов, протекающих в симуляторе квантового вычислителя. Описаны основные компоненты и объекты симулятора квантового вычислителя, которые использубтся в работе. Также с помощью сети Петри описан алгоритм работы элементов симулятора квантового вычислителя.

16. Анохин А.А., Гузик В.Ф., Гушанский С.М. Сравнительный анализ программных моделей квантового вычислителя // Фундаментальные и прикладные аспекты компьютерных технологий и информационной безопасности / Сборник статей I Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов. – Ростов-на-Дону: Издательство Южного федерального университета, 2015. – С.66-67.

В статье рассматриваются программные модели квантового вычислителя (симуляторы). Рассказывается о трех основных группах: полноценные самостоятельные среды моделирования, надстройки над существующими математическими средами, библиотеки, содержащие API. В качестве примеров были выбраны лучшие пары из представителей этих групп. Цель работы – найти лидера в своем классе, а также провести общее сравнение, чтобы выявить тенденцию развития современных моделей квантового вычислителя. Значительное внимание уделяется развитию взаимодействия с пользователем и оптимизации программного обеспечения под домашние ПК. Существенным бонусом является наличие документации и поддержки со стороны разработчика.

17. Кубраков Е.С., Гузик. В.Ф., Гушанский С.М. Моделирование квантовых вычислений с точки зрения аппаратного подхода с применением алгоритма оптимизации // Фундаментальные и прикладные аспекты компьютерных технологий и информационной безопасности / Сборник статей I Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов. – Ростов-на-Дону: Издательство Южного федерального университета, 2015. – С.90-94.

Рассмотрен аппаратный подход к моделированию квантовых вычислений. Описаны общая математическая модель квантового компьютера, приведена методика математического моделирования квантовых вычислений. Рассмотрены вопросы, связанные с распараллеливанием данных на аппаратном ускорителе, моделирующим квантовые вычислений, а также приведена общая схема такого типа ускорителя. Предложена возможность внедрения алгоритма оптимизации для минимизации данных при вычислениях.

18. Левицкий А.А., Гушанский С.М., Гузик В.Ф. Преимущества моделирования квантового вычислителя на основе ПЛИС // Фундаментальные и прикладные аспекты компьютерных технологий и информационной безопасности / Сборник статей I Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и

студентов. – Ростов-на-Дону: Издательство Южного федерального университета, 2015. – С.94-97.

Рассматривается необходимость периодической функции для алгоритма квантового вычислителя. Показана возможность решения NP-задачи с высокой скоростью при использовании эмулятора квантового компьютера на основе ПЛИС.

19. Малыхин И.А., Гузик В.Ф., Гушанский С.М. Реализация квантового искусственного интеллекта на примере распознавания образов // Фундаментальные и прикладные аспекты компьютерных технологий и информационной безопасности / Сборник статей I Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов. – Ростов-на-Дону: Издательство Южного федерального университета, 2015. – С.98-100.

Машины могут иметь некоторый искусственный интеллект благодаря особым алгоритмам или программному обеспечению. Такие машины могут получать знания из того, чему их научил человек. Квантовый алгоритм обучения машины может быть экспоненциально быстрее, чем классические, благодаря использованию квантового параллелизма.

20. Потапов В.С. Гузик В.Ф., Гушанский С.М. Реализация программной модульной модели квантового вычислителя // Фундаментальные и прикладные аспекты компьютерных технологий и информационной безопасности / Сборник статей I Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов. – Ростов-на-Дону: Издательство Южного федерального университета, 2015. – С.121-124.

В статье рассмотрен наиболее оптимальный подход к реализации моделей квантовых вычислителей, его особенности и функциональная специфика. Выявлены характеристики моделей квантовых вычислителей и предполагаемая этими характеристиками программная функциональность модели. Также выполнена программная реализация модели и описаны этапы ее работы.

 

Перевод
EnglishGermanRussian
Ссылки

ЮФУ

Рубрики
Контакты
Кафедра ВТ, ИКТИБ ИТА ЮФУ,
ул. Энгельса 1, ауд. Г-408
тел. 8(8634)37-16-56

И.о. зав. кафедрой кандидат технических наук, доцент
Самойлов Алексей Николаевич
Ответственный за сайт:
Катаев Борис Владимирович