Kvantumséták szimulációja klasszikus számítógépen
Az utóbbi években egyre nagyobb figyelem összpontosul a kvantuminformatikára. Olyan globális vállalatok, mint az IBM, a Google, a Microsoft és az Amazon jelentős összegeket fektetnek kutatásba, hardver- és szoftverfejlesztésekbe ezen a területen, míg az Európai Unió és Magyarország számos olyan programot indított, melyek a kvantuminformatikai kutatások fellendítését célozzák meg.
A jelenlegi kvantumszámítógépekben elérhető qubitek (kvantumbitek) mennyisége még csekély, de sokan úgy vélik hogy a jövőben ez a szám növekedni fog. Az első olyan, a gyakorlatban is hasznos kvantumalgoritmusok, amiket ezeken a processzorokon futtatni tudunk majd, várhatóan azok lesznek, melyek takarékosan bánnak a rendelkezésre álló qubitekkel. A kvantumséta, mely a klasszikus véletlen bolyongás általánosítása kvantumos esetben, pontosan ilyen algoritmus. Mivel a qubit igénye a gráf csúcsszámában logaritmikus, így ez egy érdekes módszernek ígérkezik akár a közeljövőre nézve is. A kvantumséták erejét bizonyítja, hogy a Grover keresés (mely több kvantumalgoritmus alapját képezi) is értelmezhető ezek egy speciális fajtájának.
Dolgozatomban leírom a kvantumséták matematikai alapjait, részletezve a megvalósítás szempontjából fontos pontokat, melyek a szakirodalomban kisebb hangsúllyal szerepelnek. Ismertetem az általam írt szimulátor program architekturális felépítését és működését, továbbá a futtatott szimulációim eredményeit.
A szimulátor programot Python 3 nyelven írtam, a Stratégia tervezési minta alapján. A szakirodalomban tipikusan használt gráfokat beépítetten támogatja, melyek kombinálásával tetszőlegesen bonyolult reguláris gráf előállítható, ez az előállítás képezi a kvantumséta alapját is. A szoftver reguláris gráfokon történő kvantum és klasszikus séták szimulációját teszi lehetővé, az eredményekről pedig egy részletes report fájlt generál. A kvantumos séták esetében a séta tulajdonságai a valószínűségek generálásához felhasznált érmétől is függnek, melyet többféleképpen is lehet definiálni. A program beépítetten tartalmazza az Hadamard-, a Grover- és a Fourier-érméket, de felépítéséből adódóan könnyen bővíthető tetszőleges érmével is.
Szimulációim segítségével összehasonlítottam a klasszikus és a kvantum séták viselkedését, továbbá kimutattam az elméleti szakirodalom alapján elvárt kvantumos jellegzetességeket, az Hadamard-séta ballisztikus természetét és a kvantumséták ciklikus tulajdonságát.
szerző
-
Nemkin Viktória
Mérnök informatikus szak, mesterképzés
mesterképzés (MA/MSc)
konzulens
-
Friedl Katalin
egyetemi docens, Számítástudományi és Információelméleti Tanszék
