РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОПТИМИЗАЦИИ И РАСПАРАЛЛЕЛИВАНИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО ПРОЦЕССА В РАМКАХ КВАНТОВЫХ УСКОРИТЕЛЕЙ

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

Аннотация

В последнее время наблюдается стремительный рост интереса к квантовым компьюте-
рам. Их работа основана на использовании для вычислений таких квантово-механических явле-
ний, как суперпозиция и запутывание для преобразования входных данных в выходные, которые
реально смогут обеспечить эффективную производительность на 3–4 порядка выше, чем лю-
бые современные вычислительные устройства, что позволит решать перечисленные выше и
другие задачи в натуральном и ускоренном масштабе времени. Данная статья посвящена ре-
шению задачи исследования и разработки методов оптимизации квантовых вычислений в рам-
ках применения квантовых ускорителей. Предложена структурная схема аппаратного ускори-
теля для увеличения производительности моделируемых квантовых вычислений. Была проведе-
на разработка структурной схемы модуля связи аппаратного ускорителя и программной моде-
ли.Актуальность данных исследований заключается в математическом и программном моде-
лировании и реализации корректирующих кодов для исправления нескольких видов квантовых
ошибок в рамках разработки и выполнения квантовых алгоритмов для решения классов задач
классического характера. Научная новизна данного направления выражается в исключении
одного из недостатков квантового вычислительного процесса. Научная новизна данного на-
правления в первую очередь выражается в постоянном обновлении и дополнении поля кванто-
вых исследований по ряду направлений, а компьютерная симуляция квантовых физических явле-
ний и особенностей слабо освещена в мире.

Литература

1. Kvantovaya kriptografiya [Quantum cryptography], Vikipediya [Wikipedia]. Available at:
http://ru.wikipedia.org/?oldid=82377595 (accessed 07 March 2021).
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
matematicheskoy fiziki [Journal of Computational Mathematics and Mathematical Physics],
1990, Vol. 30, No. 7, pp. 1113-1115.
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. (2020, Nov 03). In Wikipedia, The Free Encyclopedia.
Retrieved 05:15, July 27, 2020, 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 XV 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
[Methods 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 modeling 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, pp. 223-233.
8. 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 modeling 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, pp. 223-233.
9. 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, 515 p.
10. 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.
11. Ofer Firstenberg, Mikhail D. Lukin. Attractive photons in a quantum nonlinear medium,
Nature, October 2013, Vol. 502.
12. Nil'sen M., Chang I. Kvantovye vychisleniya i kvantovaya informatsiya = Quantum Computation
and Quantum Information [Quantum computing and quantum Information = Quantum
Computing and Quantum Information]. Moscow: Mir, 2006.
13. Quantum programming. (2016, Nov 03). In Wikipedia, The Free Encyclopedia. Retrieved
17:50, September 20, 2016, from https://en.wikipedia.org/w/index. php?title=Quantum
_programming&oldid=740376291.
14. Wikipedia contributors. (2018, November 27). IBM Q Experience. In Wikipedia, The Free
Encyclopedia. Retrieved 17:28, January 31, 2019, from https://en.wikipedia.org/w/index.php
?title=IBM_Q_Experience&oldid=8708780.
15. Quantum mechanics. (2017, March 29). In Wikipedia, The Free Encyclopedia. Retrieved
15:50, March 30, 2017. Available at: https://en.wikipedia.org/w/index. php?title=Quantum_
mechanics&oldid=772744105.
16. Boneh D., Zhandry M. Quantum-secure message authentication codes, In Proceedings of
Eurocrypt, 2013, pp. 592-608,
17. Chris Ferrie. Quantum Physics for Babies. Brdbk edition. Sourcebooks Jabberwocky,
2017-05-02, pp. 23, 24 p. ISBN 9781492656227.
18. Wilde M. From Classical to Quantum Shannon Theory, arXiv:1106.1445.
19. Guzik V.F., Gushanskiy S.M., Potapov V.S. Kolichestvennye kharakteristiki stepeni
zaputannosti [Quantitative characteristics of the degree of entanglement], Izvestiya
YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2016, No. 3, pp. 76-86.
20. Potapov V., Gushansky S., Guzik V., Polenov M. Architecture and Software Implementation of
a Quantum Computer Model, Advances in Intelligent Systems and Computing. Springer
Verlag, 2016, Vol. 465, pp. 59-68.
21. 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.
22. Optimizatsiya [Optimization], Vikipediya [2018–2018], [Wikipedia [2018-2018]. Available at:
https://ru.wikipedia.org/?oldid=94448419 (accessed 10 August 2018).
23. 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. 26-37.
24. Kleppner D., Kolenkow R. An Introduction to Mechanics (Second ed.). Cambridge: Cambridge
University Press, 2014, 49 p.
25. 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, postgraduates and students of ITSAiU-2016]. Rostov-on-Don: Izd-vo YUFU,
2016, Vol. 3, pp. 123-129.
Опубликован
2021-08-11
Выпуск
Раздел
РАЗДЕЛ I. АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ