Memóriafelhasználás optimalizálása kvantumalgoritmusok szimulációja során

A piacon jelenleg elérhető kvantumalgoritmus-futtató keretrendszerek (IBM Qiskit, Google Cirq) a számításaikat a qubitek számában exponenciális méretű unitér mátrixokkal valósítják meg. Ennek következménye, hogy igen kis méretű bemenetek esetén is meglehetősen nagy mennyiségű memóriára van szükségük. Bár a meglévő rendszerek használnak bizonyos optimalizációs módszereket, ezek sokszor nem tudnak nagyságrendi javulást eredményezni (például a ritka mátrixos tárolási mód) vagy csak nagyon speciális algoritmusokra alkalmazhatók (Clifford-kapuk). A gyakorlatban ez azt jelenti, hogy az óriáscégekkel szemben egy átlagos felhasználó sok algoritmus esetében még viszonylag kis méretű bemeneteken sem tud ésszerű keretek között kísérletezni, az túl nagy hardverköltséggel járna.

A hardverszükséglet csökkenthető olyan algoritmussal, amely memóriát spórol, megnövekedett futásidőért cserébe. Például az unitér mátrixok éppen szükséges részmátrixai futás közben "on-the-fly" kiszámíthatóak, vagy akár a mátrixműveletek teljes egészükben helyettesíthetőek az azokkal ekvivalens hagyományos algoritmusokkal. Bár a korábban említett, a piacon elterjedt futtató keretrendszerek nyílt forráskódúak, sajnos az architektúrájuk szerves részét képezi az unitér mátrix tárolása, így azok bővítése ilyen irányban nem megoldható.

Dolgozatomban ezért egy ilyen memóriaoptimalizációs módszertan kidolgozásával és az ahhoz kapcsolódó, általános felhasználási körű kvantumalgoritmus-szimuláló keretrendszer megvalósításával foglalkozom. Bemutatom azokat a klasszikus algoritmus és architektúra tervezési lépéseket, melyek a rendszer alapját képezik, továbbá azt, hogy a keretrendszert hogyan lehet kvantumalgoritmusokkal kapcsolatos kutatások során felhasználni. A keretrendszer célja elsősorban az, hogy a kisebb erőforrással rendelkező felhasználók számára megnövelje a gyakorlati tesztek futtathatóságának a korlátait és ezzel elősegítse az elméleti kutatómunkát. Ennek megfelelően az elkészült rendszert és a hozzá tartozó dokumentációt mindenki számára elérhetővé teszem open-source licenszelt formában az interneten.

szerző

• 
  Nemkin Viktória
  Mérnök informatikus szak, mesterképzés
  mesterképzés (MA/MSc)

konzulens

• 
  Friedl Katalin
  egyetemi docens, Számítástudományi és Információelméleti Tanszék

helyezés