ИССЛЕДОВАНИЕ КВАНТОВОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ И РЕАЛИЗАЦИЯ КВАНТОВОГО ЯДРА НА ПЛИС

  • С.М. Гушанский Южный федеральный университет
  • В.С. Потапов Южный федеральный университет
Ключевые слова: Моделирование, квантовый алгоритм, кубит, модель квантового вычислителя, запутывание, суперпозиция, квантовый оператор

Аннотация

Метод квантового ядра является одним из важнейших методов в квантовом машин-
ном обучении. Однако количество признаков, используемых для квантовых ядер, ограничено
несколькими десятками признаков. Используется структура состояния блочного продукта
в качестве карты квантовых признаков и демонстрируется реализация программируемых
вентильных матриц. Актуальность данных исследований заключается в математическом
и программном моделировании и реализации квантовой вычислительной системы в рамках
разработки реализация квантового ядра на ПЛИС для решения классов задач классического
характера. Научная новизна данного направления исследований заключается в разработке
гибридного симулятора квантового ядра центрального процессорного устройства (ЦПУ) и
программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) на несколько порядков быстрее,
чем обычный симулятор квантовых вычислений. Эта совместная разработка реализован-
ного квантового ядра и его эффективная реализация ПЛИС позволили выполнить числен-
ное моделирование квантового ядра на основе вентилей с точки зрения входных признаков,
вплоть до 780-мерных признаков с использованием 4000 выборок. Применили квантовое
ядро к задачам классификации изображений с использованием набора данных Fashion-
MNIST и показали, что квантовое ядро сравнимо с ядрами Гаусса с оптимизированной про-
пускной способностью. Проведенный анализ работ данной области показал, что в на-
стоящее время достигнут новый качественный уровень, открывающий перспективные
возможности по реализации многокубитовых квантовых вычислений. Перспективы реали-
зации и развития связаны не только с технологическими возможностями, но и с решением
вопросов построения эффективных квантовых систем решения актуальных математиче-
ских задач, задач криптографии и задач управления (оптимизации).

Литература

1. Kvantovaya kriptografiya [Quantum Cryptography], Vikipediya [Wikipedia]. Update date:
05.11.2022. Available at: http://ru.wikipedia.org/?oldid=82377595 (accessed 05 November 2022).
2. Trubitsyn A.A. Raschet traektorii dvizheniya material'noy tochki v dvumernom
(osesimmetrichnom) konservativnom pole [Calculation of the trajectory of a material point in a
two-dimensional (axisymmetric) conservative field], Zhurnal vychislitel'noy matematiki i
matematematicheskoy fiziki [Journal of Computational Mathematics and Mathematical Physics],
1990, Vol. 30, No. 7, pp. 1113-1115; U.S.S.R. Comput. Math. Math. Phys., 1990, 30:4,
pp. 107-109.
3. Arthur Trew (ed.), Greg Wilson (ed.). Past, Present, Parallel: A Survey of Available Parallel
Computer Systems. Springer, 1991, 392 p. ISBN 9783540196648.
4. Quantum phase estimation algorithm (2022, Nov 03). In Wikipedia, The Free Encyclopedia.
Retrieved. 05:15, Nov 3, 2022, from https://en.wikipedia.org/w/index.php?Title=Quantum_
phase_estimation_algorithm&oldid=731732789.
5. Richard G. Milner. A Short History of Spin, Contribution to the XVth International Workshop
on Polarized Sources, Targets, and Polarimetry. Charlottesville, Virginia, USA, September
9-13, 2013. arXiv:1311.5016.
6. Gushanskiy S.M., Potapov V.S. Metodika razrabotki i postroeniya kvantovykh algoritmov
[Methodology of development and construction of quantum algorithms], Informatizatsiya i
svyaz' [Informatization and communication], 2017, No. 3, pp. 101-104.
7. Gushanskiy S.M. Polenov M.Yu., Potapov V.S. Realizatsiya komp'yuternogo modelirovaniya
sistemy s chastitsey v odnomernom i dvukhmernom prostranstve na kvantovom urovne [Implementation
of computer simulation of a system with a particle in one-dimensional and twodimensional
space at the quantum level], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya
SFedU. Engineering Sciences], 2017, No. 3 (188), pp. 223-233.
8. Hales S. Hallgren. An improved quantum Fourier transform algorithm and applications, Proceedings
of the 41st Annual Symposium on Foundations of Computer Science. November
12–14, 2000, pp. 515.
9. Potapov V., Gushanskiy S., Polenov M. The Methodology of Implementation and Simulation
of Quantum Algorithms and Processes, 2017 11th International Conference on Application of
Information and Communication Technologies (AICT). Institute of Electrical and Electronics
Engineers, 2017, pp. 437-441.
10. Lukin M.D. Attractive photons in a quantum nonlinear medium, Ofer Firstenberg, Nature.
October 2013, Vol. 502.
11. Nil'sen M., Chang I. Kvantovye vychisleniya i kvantovaya informatsiya = Quantum Computation
and Quantum Information [Quantum computing and quantum information = Quantum
Compu-tation and Quantum Information]. Moscow: Mir, 2006.
12. Quantum mechanics. In Wikipedia, The Free Encyclopedia. Retrieved 15:50, March 30, 2022.
Available at: https://en.wikipedia.org/w/index. php?title=Quantum_mechanics&oldid=772744105.
13. Boneh D., Zhandry M. Quantum-secure message authentication codes, Proceedings of
Eurocrypt, 2013, pp. 592-608.
14. Chris Ferrie. Quantum Physics for Babies, Sourcebooks Jabberwocky. Brdbk edition,
2017-05-02, pp. 23-24.
15. Tomas Kh. Kormen, Charl'z I. Leyzerson, Ronal'd L. Rivest, Klifford SHtayn. Algoritmy:
postroenie i analiz = Introduction to Algorithms [Algorithms: Construction and analysis = Introduction
to Algorithms]. 2nd ed. Moscow: Vil'yams, 2006, 1296 p. ISBN 0-07-013151-1.
16. Bennett С.H., Shor P.W., Smolin J.A., Thapliyal A.V. Entanglement-assisted Capacity of a
Quantum Channel and the Reverse Shannon Theorem, IEEE Transactions on Information
Theory, 2002, Vol. 48, pp. 2637-2655.
17. Kleppner D., Kolenkow R. An Introduction to Mechanics (Second ed.). Cambridge: Cambridge
University Press, 2014, 49 p.
18. Potapov V.S., Gushanskiy S.M. Kvantovye tipy oshibok i metody ikh ustraneniya, zavisimost'
oshibki ot mery i chistoty zaputannosti [Quantum types of errors and methods of their elimination,
the dependence of error on the measure and purity of entanglement], Sb. trudov XIV Vserossiyskoy
nauchnoy konferentsii molodykh uchenykh, aspirantov i studentov ITSAiU-2016 [Proceedings of the
XIV All-Russian Scientific Conference of Young Scientists, graduate Students and students of
ITSAiU-2016]. Rostov-on-Don: Izd-vo YuFU, 2016, Vol. 3, pp. 123-129.
19. Olukotun K. Chip Multiprocessor Architecture – Techniques to Improve Throughput and Latency.
Morgan and Claypool Publishers, San Rafael, 2007.
20. Raedt K.D., Michielsen K., De Raedt H., Trieu B., Arnold G., Marcus Richter, Th Lip-pert,
Watanabe H., and Ito, N. Massively parallel quantum computer simulator, Computer Physics
Communications, Vol. 176, pp. 121-136.
21. Williams C.P. Explorations in Quantum Computing, Texts in Computer Science. Chapter 2.
Quantum Gates, pp. 51-122. Springer, 2011.
22. Potapov V., Gushanskiy S., Guzik V., Polenov M. The Computational Structure of the Quantum
Computer Simulator and Its Performance Evaluation, Software Engineering Perspectives and
Application in Intelligent Systems. Advances in Intelligent Systems and Computing, Vol. 763,
pp. 198-207. Springer, 2019.
23. Potapov V.S., Gushanskiy S.M. Razrabotka i issledovanie metodiki postroeniya vychislitel'noy
kvantovoy sistemy s ispol'zovaniem apparatnykh sredstv optimizatsii [Development and research
of a methodology for constructing a computational quantum system using optimization
hardware], Informatsionnye tekhnologii i vychislitel'nye sistemy [Information technologies and
computing systems], 2022, No. 1, pp. 26-32.
24. Milner R.G. A Short History of Spin. In: Contribution to the XV International Workshop on
Polarized Sources, Targets, and Polarimetry. Charlottesville, Virginia, USA, September 9–13,
2013. arXiv:1311.5016, 2013.
25. Hallgren H.S. An improved quantum Fourier transform algorithm and applications, Proceedings
of the 41st Annual Symposium on Foundations of Computer Science, Redondo Beach, CA,
pp. 515. IEEE, 2000.
26. Boneh D., Zhandry M. Quantum-secure message authentication codes, Proceedings of
Eurocrypt, 2013, pp. 592-608.
Опубликован
2022-12-27
Выпуск
Раздел
РАЗДЕЛ II. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ И СИСТЕМ