ВВЕДЕНИЕ 4
Глава 1. Существующие облачные решения с квантовыми
вычислениями 6
1.1 IBM Quantum Experience 6
1.2 Microsoft Quantum Development Kit 6
1.3 Rigetti Computing 7
Глава 2. Основные теоретические сведения 9
2.1 Квантовый бит 9
2.2 Логическое кодирование квантовой информации 10
2.3 Состояния высокой размерности 11
Глава 3. Математическая модель квантового процессорного устройства 12
3.1 Квантовая память 12
3.2 Базисные операции над логическими кубитами 13
3.3 Состояния высокой размерности 14
3.4 Базисные операции над кудитами 14
3.5 Измерение 15
Глава 4. Трансляция 16
4.1 Контекстно-свободная грамматика 16
4.2 Трансляция пользовательского однокубитного оператора . . 18
4.3 Трансляция пользовательского многокубитного оператора . 20
4.4 Модификация алгоритма трансляции пользовательского
многокубитного оператора 23
Глава 5. Выполнение квантовой программы в облаке 28
5.1 Облачная платформа 28
5.2 Схема работы облака 28
5.3 Документация по API 29
5.4 Результаты работы транслятора 32
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 33
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 34
ПРИЛОЖЕНИЯ 37
Квантовые компьютеры - это вычислительные машины, работающие на основе квантовой механики. С их помощью мы можем добиться повышения производительности в определенных классах задач по сравнению с классическим компьютером [1; 2].
В области создания квантовых компьютеров последние 20 лет проводятся экспериментальные научные исследования. Первые прототипы были построены на основе ядерного магнитного резонанса [3] и ионов в ловушке[4]. Сейчас эту область также развивают коммерческие компании, такие как IBM, Intel, Google, Microsoft. Кроме того разрабатываются инструменты для программирования на них [1; 2].
Квантовый компьютер можно использовать как сопроцессор, это дает возможность использовать его только в задачах, которые хорошо решаются с его использованием, а в других задачах продолжать использовать классические компьютер [1; 2].
Сейчас квантовые компьютеры только зарождаются, и они далеки от тех машин, что смогут реализовать созданные квантовые алгоритмы, а существующие разработки мало доступны общественности. Одним из множества решений данной проблемы является модель облачных вычислений. Такая модель позволяет решить проблему доступности квантовых вычислителей для конечных пользователей, а также обеспечить поддержку функционирования квантового устройства [1; 2].
Целью работы является разработка квантовой вычислительной платформы, реализуемой в виде облачного сервиса. Необходимо реализовать программный комплекс на основе разрабатываемых физико-математических моделей квантового сопроцессора и интегрировать в облачную платформу. В программный комплекс необходимо включить систему программирования квантового сопроцессора, систему управления квантовой памятью, систему моделирования [1; 2].
Решаемые в проекте задачи:
— Разработка модели транслятора, учитывающей состояния высокой размерности.
— Описание низкоуровневого и высокоуровневого языков платформы.
— Разработка и программная реализация интерфейсов общения между клиентом, сервером, модулем трансляции и эмулятором.
— Развертывание платформы на кластере Казанского федерального университета и предоставление доступа к ней из глобальной сети интернет.
В отличие от существующих решений, новизна настоящего проекта заключается в использовании оригинальной архитектуры квантового вычислителя, особенности которой допускают ускоренную реализацию составных квантовых операторов, которые лежат в основе большинства эффективных квантовых алгоритмов. Данная архитектура разрабатывается в Казанском квантовом центре и основывается на использовании эффекта квантового транзистора и квантовой памяти [5]: их интеграция влияет на всю архитектуру в целом и обеспечивает потенциал к созданию устойчивых и масштабируемых устройств. Отметим, что описанные в главе 1 платформы квантового программирования создаются без квантовой памяти, однако ее наличие является первым и ключевым критерием создания полноценного квантового компьютера
В ходе данной работы была предложена и реализована новая архитектура квантовой облачной платформы на основе результатов казанских научных групп.
В рамках создания квантовой облачной платформы были получены следующие результаты:
— Модель транслятора, разработанная на основе теории формальных грамматик, поддерживающая настраиваемые пользовательские операторы, которые задаются матрицей или с помощью последовательности вращений вокруг некоторой оси.
— Даны определения низкоуровневых и высокоуровневых языков платформы, описаны их правила.
— Разработан и реализован интерфейс общения между клиентом и сервером.
— Разработан и реализован интерфейс общения между сервером и модулем трансляции.
— Разработан и реализован общения между сервером и эмулятором.
— Платформа развернута на кластере Казанского федерального университета. К ней предоставлен доступ к ней из глобальной сети интернет.
Введение дополнительных низкоуровневых операторов и использования особенностей математической модели позволило оптимизировать работу транслятора для многокубитных операторов.
За счет обобщенной математической модели квантового процессорного устройства на платформе была реализована возможность использования состояния высокой размерности (кудитов). Ранее облачных решений, поддерживающих программирование кудитов не было найдено.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
