Тема: Разработка пользовательского веб-интерфейса для симулятора квантового компьютера

Вычислительная техника прошла долгий путь развития от первых механических устройств до современных суперкомпьютеров. Первые механические вычислительные машины появились ещё в XVII веке. Они были громоздкими и медленными, но позволяли решать сложные математические задачи, дифференциальные уравнения, статистика, измерение физических явлений как приливы и отливы, изменение атмосферного давления, скорость ветра. В 1940-х годах были созданы первые электронные вычислительные машины, такие как ENIAC, его главная особенность была в том, что можно было перепрограммировать и решить более широкий спектр задач, когда аналоговые вычислительные машины использовались под конкретно выведенную задачу. В 1950-х годах появилась идея создания вычислительной техники, состоящей из массива процессоров, и только в 1970-х годах был изобретён первый суперкомпьютер ILLIAC IV. После долгих исследований и доработок в дизайне, суперкомпьютер был готов к работе, имел мощность в размере 1 Гфлопс и был способен производить до 1 миллиарда вычислений в секунду. На сегодняшний день суперкомпьютеры имеют мощность, измеряемую в десятках петафлопсов, и используются для решения самых разных задач, от прогнозирования погоды до разработки новых лекарств и автомобилей. Они состоят из множества процессоров и памяти, работающих вместе для обеспечения высокой производительности.
У суперкомпьютеров есть перечень недостатков, как например: Сстоимость производства и обслуживания суперкомпьютеров очень высока и зависит от их мощности и используемых технологий. Например, суперкомпьютер от компании IBM, Summit, стоит около 200 миллионов долларов и потребляет около 15 мегаватт электроэнергии. Данная система требует большого пространства (Комплекс занимает площадь около 520 м2), а энергопотребление сравнимо с 8100 среднестатистических жилых домов на одно семейство в США.
В современном мире информационные технологии играют значительную роль во всех сферах жизни. Разработка новых технологий и устройств, обеспечивающих повышение производительности и эффективности работы, является актуальной задачей. На сегодняшний день существует перечень задач, которые занимают колоссального количества ресурсов, места и даже времени на получение результата, и именно по этому индустрии нужно создать что - то новое, более производительное и совершенное. Одним из перспективных направлений является создание квантовых компьютеров, которые обладают уникальными возможностями для решения сложных задач.
Квантовые компьютеры используют квантовые явления, такие как квантовая суперпозиция и квантовая запутанность, для обработки информации. В теории они могут решать задачи, которые у классической системы занимают месяца или даже годы на решение, за считанные минуты. Однако использование квантовых компьютеров ограничено из-за сложности их архитектуры и недостаточной доступности. В связи с этим возникает необходимость в разработке симуляторов квантовых компьютеров, которые позволяют моделировать работу квантовых систем и проводить эксперименты без необходимости использования реального квантового оборудования. Ведущие компании такие как: Microsoft, IBM, Google и многие другие уже внесли большой вклад в теорию и методику создания квантовых симуляторов. Весь мир активно ведет разработку в сфере квантовых технологий.
Симуляторы квантовых компьютеров предоставляют возможность исследовать новые алгоритмы и разрабатывать программное обеспечение для будущих квантовых систем. Однако работа с симуляторами может быть сложной и трудоёмкой из-за отсутствия удобных интерфейсов и средств разработки. Квантовый симулятор должен быть интуитивно понятным для обыкновенного пользователя, чтобы данная технология имела как можно низкий порог вхождения, это будет способствовать популяризации, и как следствие развитию технологии квантовых вычислений.
Целью данной работы является разработка интерфейса для симулятора квантового компьютера, который обеспечит удобство работы с ним и позволит повысить эффективность исследований и разработок в области квантовых вычислений, а также комплекта учебно-методического обеспечения для изучения основ квантовых вычислений.
Цель: Разработка веб интерфейса симулятора квантового компьютера а также внедрение в него комплекта учебно-методического обеспечения для изучения основ квантовых вычислений
Задачи:
1) Изучение основ квантовых вычислений
2) Изучение основ веб-разработки
3) Изучение способов визуализации результатов квантовых вычислений
4) Изучение библиотек для работы с веб-интерфейсами
5) Изучение библиотек для работы с трёхмерной графикой
6) Провести тестирование готовой системы
Методы исследования:
1. Анализ научных статей
2. Анализ существующих квантовых симуляторов и их функций.
Купить

В ходе выполнения выпускной квалификационной работы была достигнута основная цель - разработан пользовательский веб-интерфейс для симулятора квантового компьютера и в веб-интерфейс был внедрён комплект учебно-методических материалов для изучения основ квантовых вычислений.
Так же был проведён анализ существующих решений, исходя из которого был выбран серверный режим сборки квантовых схем для их вычисления, который подразумевает отправку собранной схемы на сервер для дальнейшего расчёта, а так же инструментов для разработки веб-интерфейсов, и сделан выбор инструментов, в пользу: html, css и javascript. Выбор пал на них из-за их удобства и простоты пользования. В дополнение к инструментам были выбраны библиотеки упрощающие работу с веб-интерфейсами, а именно (React.js, Three.js и др.).
Реализован интуитивно понятный веб-интерфейс с поддержкой базовых функций, а именно:
1) Визуальный конструктор квантовых схем
2) Интерактивная гистограмма результатов измерений
3) 3D-визуализация результатов измерений на квантовой сфере
4) Разделы теории и практических заданий
Были реализованы алгоритмы построения квантовой сферы, благодаря которым строится квантовая сфера.
Разработанный симулятор уже готов к внедрению в учебный процесс и уже был опробован на занятиях Радиофизического факультета.

Купить