Введение 2
Постановка задачи 3
Глава 1. Основы квантовых вычислений 4
Глава 2. Описание математической модели квантового вычислительного устройства 9
Глава 3. Взаимодействие классического компьютера и квантового сопроцессора 14
3.1. Реализация системы квантового программирования 15
3.1.1. Разложение унитарного оператора на двухуровневые унитарные
матрицы 16
3.1.2. Разложение двухуровневых унитарных матриц на контролируемый
однокубитный оператор и CCNOT операторы 18
3.1.3. Представление контролируемого однокубитного оператора в виде
вращений 22
3.2. Описание API для квантового программирования 26
3.3. Связь с квантовым менеджером памяти 28
3.4. Разработка системы визуального проектирования квантовых схем 29
Глава 4. Модификация алгоритма квантового хеширования с учетом физической архитектуры 33
Заключение 42
Список литературы 43
Листинг
На сегодняшний день активно развивается область квантовых вычислений, которую также называют новой вычислительной парадигмой. Она с каждым годом привлекает к себе все больше и больше внимания, ею интересуются как физики, так и инженеры, ученые и даже программисты. Активное развитие этой парадигмы связана с тем, что она открывает широкие возможности для ускоренного решения известных задач. Примерами таких задач являются решение системы линейных уравнений (СЛУ), факторизация заданного числа (разложение на простые множители) и т.д. Для приведенных задач на квантовом компьютере может быть достигнуто экспоненциальное ускорение.
С областью квантовых вычислений также очень тесно связана криптография. Некоторые популярные методы криптографии основаны на невозможности быстрой факторизации числа. А квантовый алгоритм факторизации числа (алгоритм Шора) сделает возможным взлом многих известных систем с открытым ключом.
На сегодняшний день известно несколько языков квантового программирования, однако ни один из них не связан с конкретной архитектурой вычислительного устройства. Именно поэтому при проведении вычислений особых выгод пока не получают. Для этих языков просто созданы компиляторы, и они компилируют исходный код в код для симулятора компьютера.
В настоящей работе была совместно разработана математическая модель квантового вычислительного устройства, предложенного учеными Казанского квантового центра. Архитектура накладывает ряд требований к модели: набор базисных операторов, способ хранения состояний кубитов, особенности работы с квантовым менеджером памяти.
Автором данной работы была разработана система программирования для интеграции с языком Java.
С одной стороны, она связана с высокоуровневым языком программирования. Данная система позволяет писать код для квантового сопроцессора на одном из самых популярных языков программирования, смешивая обычный код с кодом для квантового компьютера.
С другой стороны, система программирования взаимодействует с эмулятором квантовых вычислений посредством интеграции с менеджером квантовой памяти. Она обеспечивает возможность тестирования кода на данном эмуляторе, который разрабатывается другими участниками команды.
Данная система программирования предоставляет модифицированный алгоритм разложения унитарных операторов на базисные функции квантового компьютера, архитектура которого предложена учеными Казанского квантового центра.
Также автором настоящей работы был модифицирован алгоритм квантового хеширования. Данный алгоритм позволяет существенно ускорить выполнение квантового хеширования за счет особенностей физической архитектуры.
В рамках системы программирования была разработана система визуального проектирования квантовых схем, позволяющая сохранять схемы в виде квантового гейта для последующего использования в других схемах.
