Содержание 2
Введение 4
Последние разработки в области квантовой индустрии 7
Казанский квантовый центр 8
1. Постановка задачи 9
2. Предварительные сведения 10
3. Функционирование вычислителя 12
3.1. Квантовая память 12
3.2. Физическое устройство вычислителя 13
4. Универсальный квантовый вычислитель 15
4.1. Математическая модель квантового вычислителя 15
4.1.1. Модуль инициализации и модуль измерения 16
4.1.2. Квантовый транзистор 17
4.2. Математическая модель квантовой памяти 19
4.2.1. Модель адресации в квантовой памяти 19
4.2.2. Процедура инициализации квантовых бит 20
4.2.3. Процедура измерения квантовых бит 22
4.2.4. Взаимодействие квантовой памяти с квантовым транзистором
4.3. Архитектура менеджера квантового сопроцессора 25
4.4. Проектирование службы работы с контроллером 26
4.4.1. Слой анализа кода 26
4.4.2. Слой трансформации кода 27
4.4.3. Слой буферизации кода 27
4.4.4. Формирование результата вычислений 28
4.5. Архитектура службы работы с контроллером 29
4.5.1. API, предоставляемое клиенту 29
4.5.2. Процесс выполнения последовательности команд 30
5. Специализированный квантовый вычислитель 31
5.1. Адаптация математической модели квантовой памяти 32
5.2. Программная инфраструктура для управления специализированным квантовым вычислителем на стороне клиента 33
5.2.1. Реализация алгоритма цифровой подписи, основанного на
квантовом хешировании 35
5.2.2. Архитектура клиентского приложения 38
Заключение 43
Список использованной литературы 44
В середине ХХ века основатель компании Intel высказал мысль, что производительность процессоров будет увеличиваться в 2 раза каждые 18 месяцев по причине увеличения количества транзисторов и их быстродействия. Однако практически в каждом правиле есть исключение, и оно кроется в том, что уже в самом ближайшем будущем будет достигнут предел развития классических компьютеров.
Уже сейчас передовые компании начинают работать с полупроводниками размером 10нм. Такими темпами в ближайшем будущем компоненты полупроводниковых приборов приблизятся к размерам атомов, а это будет означать, что дальнейшее совершенствование компьютеров станет возможным только за счет увеличения размеров вычислительной техники.
Это повлечет некоторые проблемы, так как потребности человечества ставят перед вычислительной техникой все более сложные задачи, с которыми даже самый мощный классический компьютер зачастую или вовсе не может справиться в силу особенностей «мышления», или должен потратить на поиск решения неприемлемое время.
Естественно, ученые со всего мира начали искать способы создания вычислительной техники иного строения, которая смогла бы удовлетворять потребности человечества.
Одним из направлений работы стала разработка квантового компьютера. В настоящее время разработкой квантового компьютера занимаются во многих компаниях и научных центрах. Гиганты в индустрии информационных технологий представляют миру первые варианты квантовых компьютеров с минимальным количеством кубит.
Проведем некоторую аналогию между классическими и квантовыми вычислениями.
Таким образом, квантовые вычисления существенно отличаются от классических, но несмотря на это по всему миру начинают появляться компьютеры, основанные на них.
В ходе данной работы были выполнены все поставленные задачи.
Нами была разработана математическая модель квантовой памяти, математическая модель квантового вычислителя, в частности, модель адресации и формализация процедур обработки кубит. Вышеописанные математические модели стали основой для разработанной архитектуры менеджера квантового вычислителя. Было решено разделить менеджер на две большие части, каждая из которых содержит три слоя. В данной работе описаны слои, входящие в службу работы с контроллером, а также описана её программная реализация. Вышеописанная служба, контроллер и эмулятор квантового вычислителя в совокупности способны решать задачу вычисления последовательностей команд из универсального базиса нескольких пользователей одновременно.
После этого было формализовано функционирование специализированного квантового вычислителя с квантовой памятью для криптографически защищенных коммуникаций, адаптированы математические модели квантового вычислителя и квантовой памяти. Данные модели стали основой для разработки распределенного программного комплекса для управления и программирования специализированного квантового вычислителя.
Комплекс состоит из двух частей: вычислителя, который может взаимодействовать одновременно с несколькими клиентами для выполнения квантовых процедур, и клиента, составляющего последовательности команд для выполнения в квантовой памяти. В клиентской части реализован алгоритм квантовой цифровой подписи, основанной на квантовом хешировании, демонстрирующий криптографически защищенные коммуникации.
