УДК 519.85:530.145
КАЛЬСКОВ В.В. КОВАЛЕВ А.В.
СРЕДСТВА МОДЕЛИРОВАНИЯ КВАНТОВЫХ АЛГОРИТМОВ
ТРТУ, 347922, Россия, г. Таганрог, Некрасовский, 44
С увеличением интеграции проектируемых схем появляется не-
обходимость уменьшения энергопотребления. Организация вычисле-
ний на основе квантового компьютера (КК) позволит сократить число
используемых элементов, уменьшить используемую площадь и энер-
гопотребление.
В ходе выполнения работы разработана программа, конверти-
рующая классический алгоритм в базис, используемый при реализации
алгоритмов на КК, а также моделирующая квантовые алгоритмы на
классическом компьютере.
Для реализации квантового алгоритма, описываемого классиче-
ским алгоритмом, необходимо выполнить следующие задачи:
1. Конвертирование исходного алгоритма из базиса, используемого
при проектировании микросистемных устройств в базис, применяе-
мого при разработке алгоритмов на квантовом компьютере.
2. Повышение надежности выполнения алгоритма, вычисляемого на
КК.
Основной задачей при разработке квантового алгоритма на ос-
нове классического алгоритма является конвертирование базиса. Бази-
сом классического алгоритма является И, НЕ (или ИЛИ, НЕ), базисом
же квантового алгоритма является ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и НЕ.
В ходе выполнения квантового алгоритма может возникнуть си-
туация, когда для выполнения очередного гейта необходимо использо-
вать кубиты, находящиеся на таком расстоянии, когда вероятность
появления ошибки вычисления очень высока.
Для решения этой проблемы предлагается использовать алго-
ритм, позволяющий сократить расстояние между кубитами, участ-
вующих в вычислении, благодаря чему возрастают силы взаимодейст-
вия между носителями информации, что увеличивает вероятность
получения верного результата.
Алгоритм состоит из 5 основных блоков:
1. Основной цикл, в котором для каждого гейта проверяются номера
входных кубитов. Если их разность координат в шагах сетки отли-
чается от 1, то выполняется часть алгоритма, уменьшающая рас-
стояние между этими кубитами.
2. На данном этапе, применяя гейт SWAP, осуществляется обмен
значениями соседних кубитов. Обмен значениями выполняется до
тех пор, пока расстояние между кубитами в шагах сетки больше 1.
3. Вычисление состояний на основе очередного гейта.

4. Возврат значения кубита на свое место посредством применения
гейта SWAP.
5. Блок проверки. Этот участок алгоритма проверяет, все ли гейты вы-
числены, и если да, то происходит выход из алгоритма оптимиза-
ции.
Для проверки правильности выполнения алгоритма разработана
подсистема САПР, моделирующая работу квантового компьютера
средствами классических операций. Результатом работы подсистемы
является таблица вероятностных оценок состояний.
Для манипуляции гейтами и квантовым алгоритмом в подсис-
теме САПР разработан класс-контейнер _qalg. Данный класс позволяет
добавлять гейты, считывать их состояния, изменять свойства гейтов и
кубитов, удалять, а также вести лог вычисления.
В результате работы было показано, что при применении данно-
го алгоритма надежность квантовых вычислений возрастает на 5 -
15%.

1. W. K. Wootters, W. H. Zurek, "A single quantum cannot be cloned",
Nature 299 (1982) 802-803.


Document Outline