Эмулятор квантовых вычислений — это программа, которую можно использовать для тестирования и создания квантовых алгоритмов.
Введение
Сегодня квантовые технологии расположены на переднем крае развития научных мыслей. Большие компании стремятся создать собственные квантовые суперкомпьютеры, они разрабатывают квантовые аналоги стандартных алгоритмов, ведут исследования в области квантовой криптографии. Но поскольку квантовые компьютеры еще не обладают достаточно широким распространением, актуальной остается проблема отставания обычных пользователей, а также ученых и исследователей от научного развития.
Одним из вероятных вариантов решения этой проблемы может стать применение разного типа инструментов, позволяющих эмулировать квантовые вычисления на локальных не квантовых компьютерах. Помимо этого, имеется также возможность получения в свое распоряжение нескольких кубит квантового суперкомпьютера IBM. Обычно подобные инструменты выполняются в форме библиотек для разных языков программирования.
Так как работа с реальными квантовыми компьютерами является доступной только узкому кругу специалистов, эмуляторы просто незаменимы в случае проверки гипотез или алгоритмов. Идею использования квантовых механизмов для формирования устройств, которые позже были названы квантовыми компьютерами, выдвинул советский ученый Юрий Манин в своем труде «Вычислимое и невычислимое». Квантовый компьютер выступает как единственная на текущий момент модель, способная обеспечить экспоненциальный прирост скорости вычислений в сравнении со стандартным современным компьютерным оборудованием. Пусть это даже и относится только к ограниченному кругу задач.
Эмулятор квантовых вычислений
В статье «Quantum supremacy using a programmable superconducting processor» представлено понятие «квантовое превосходство». Под этим термином следует понимать потенциальную способность квантовых вычислительных устройств разрешать проблемы, которые не по силам классическим компьютерам, или же им необходимо для этого через чур много времени. В той же статье был выдвинут критерий наступления квантового превосходства. Авторы считают, что это порог вычислительной мощности в 50 кубитов. А недавно сформированная 72-кубитная квантовая машина Google Bristlecone уже превзошла классический суперкомпьютер по ясно сформулированной вычислительной задаче. Но, к сожалению, подобных компьютеров в мире единицы, и большинство специалистов пока еще вынуждены использовать эмуляторы квантовых вычислений.
Quantum circuit является библиотекой с открытым исходным кодом, которая предназначена для эмуляции квантовых вычислений в программах на языке программирования JavaScript. Это позволяет применять ее непосредственно в браузере при формировании html-страницы или на сервере node.js. Кроме того можно использовать quantum cirquit в составе Jupyter Notebook, но в таком случае потребуется установить дополнительный плагин. Сформированные квантовые схемы будут являться доступными для импорта и экспорта в форматы иных известных эмуляторов, таких как, Qiskit, Cirq, QuEST и другие, а также и для сохранения в формате векторных рисунков.
Как утверждают разработчики библиотеки, quantum cirquit может обеспечить эмуляцию более двадцати кубит без заметного влияния на производительность системы. Для этого существует несколько «ухищрений», которые призваны осуществить оптимизацию использования оперативной памяти. Например, алгоритм симуляции не должен хранить полный вектор состояний в памяти в формате массива размера 2^n, где n является количеством кубит в схеме, а применяет специальную структурную организацию данных, в которой сохраняются лишь значения, отличные от нуля.
Компоненты матрицы преобразований определяются, затем перемножаются на вектор состояний и сохраняются «на лету». Это позволяет выполнять единовременное хранение максимально двух векторов состояний. Алгоритм предусматривает возможность распараллеливания, то есть проведения расчетов, включая использование графического ускорителя (Graphics Processing Unit, GPU). Правда эта особенность пока еще находится в разработке, то есть, в настоящее время не реализована.
Приведем пример использования библиотеки на базе следующего кода на языке JavaScript:
var circuit = new QuantumCircuit(2);
circuit.addGate("h", 0, 1);
circuit.addMeasure(1, "c", 0);
circuit.run();
console.log(circuit.getCregValue("c")).
В этом примере формируется схема с двумя кубитами, и второй кубит подвергается преобразованию Адамара с последующим измерением кубита и сохранением результата в нулевой бит стандартного не квантового регистра «c». А далее схема должна запускаться на исполнение и на экран должно выводиться значение регистра. Необходимо подчеркнуть, что требуемые регистры добавляются на схему в автоматическом режиме, если раньше это не было выполнено явным образом. Полный перечень выполненных преобразований является доступным на странице документации библиотеки.
Для того чтобы определить сравнительные признаки, следует привести перечень достоинств и недостатков пакета quantum-circuit. К числу достоинств этого пакета необходимо отнести следующие аспекты:
- Наличие открытого исходного кода.
- Наличие отличной документированности.
- Наличие возможности интеграции с форматами иных библиотек и оптимизированного потребления памяти.
Основным недостатком может считаться несбалансированное использование ресурсов вычислительных систем. Например, если реализовать проведение вычислений на GPU, то это позволило бы снять часть нагрузки с процессора и уменьшить время, которое требуется на обработку. Необходимо отметить, что этот недостаток был устранен в другой известной библиотеке квантовых вычислений, именуемой QuEST (Quantum Exact Simulation Toolkit), которая разработана специалистами исследовательской группы Оксфордского университета QTechTheory.
