optimizatsiya_kvantovyh_shem

1.

ИДЕЯ ПРОЕКТА
Оптимизация
квантовых схем
Разработка алгоритма упрощения квантовых
схем и исследование его эффективности
КВАНТОВАЯ СХЕМА
q₀
q₁
q₂
H
H
X
X
H
X
РТУ МИРЭА • ПДИ-15-26
Выполнил(а): __________________
Идея: находить лишние операции
и проверять, что результат не меняется
Z

2.

Зачем упрощать квантовые схемы?
Проблема проекта и актуальность
01
02
03
Лишние операции
Больше действий
Влияние шума
В схеме могут встречаться пары
одинаковых обратимых операций,
которые взаимно отменяются.
Каждый ненужный вентиль
увеличивает общее число
операций, а иногда и глубину
схемы.
На реальном квантовом устройстве
лишние операции могут повышать
влияние ошибок и шума.
Исследовательский вопрос Можно ли простым алгоритмом сократить некоторые схемы,
сохранив их идеальное поведение?
Основание: в Qiskit оптимизация схем включает преобразования, уменьшающие их сложность. [1]
П Р О Е К Т П О К В А Н ТО В О М У П Р О Г РА М М И Р О В А Н И Ю
2

3.

Цель, гипотеза и задачи
Что именно будет сделано в проекте
ЦЕЛЬ
Создать алгоритм, который удаляет простые
избыточные пары вентилей в квантовой схеме.
ГИПОТЕЗА
Для схем с такими парами алгоритм уменьшит
число вентилей и сохранит идеальное конечное
состояние.
ЗАДАЧИ
1
Изучить базовые операции H, X, Y, Z и их свойства.
2
Реализовать собственный алгоритм удаления пар.
3
Сравнить схемы до и после упрощения по метрикам.
4
Проверить эквивалентность на идеальном симуляторе.
П Р О Е К Т П О К В А Н ТО В О М У П Р О Г РА М М И Р О В А Н И Ю
3

4.

Принцип на простом примере
Самая первая версия алгоритма работает с парами одинаковых вентилей на одном кубите
ДО УПРОЩЕНИЯ
q₀
H
ПОСЛЕ УПРОЩЕНИЯ
H
X
H
H
X
X
X
H
H
Две первые пары взаимно отменяются.
H² = I
H
H
Остаётся только одна операция H.
X² = I
Правило применяется только к соседним одинаковым вентилям на том же кубите.
П Р О Е К Т П О К В А Н ТО В О М У П Р О Г РА М М И Р О В А Н И Ю
q₀
Y² = I
Z² = I
4

5.

Как будет работать алгоритм
Собственная реализация на Python; Qiskit используется для представления и проверки схем
01
02
03
04
Получить схему
Проверить пару
Удалить дубль
Повторить и
проверить
Представить операции
в упорядоченном списке.
Сравнить соседние
операции и их кубиты.
Если вентиль сам себе
обратный — убрать пару.
Продолжать до конца;
собрать метрики.
Набор правил первой версии
Инструменты
Удалять только соседние пары H–H, X–X, Y–Y и Z–Z, действующие на
одном кубите.
Python • Qiskit • графики
Это учебный алгоритм ограниченного действия, а не замена полноценному квантовому компилятору.
П Р О Е К Т П О К В А Н ТО В О М У П Р О Г РА М М И Р О В А Н И Ю
5

6.

Как проверить эффективность
Эксперимент должен быть воспроизводимым: один и тот же набор схем до и после преобразования
Схемы для теста
Алгоритм
Сравнение
Число вентилей
Глубина схемы
Эквивалентность
Сколько операций было
до и после алгоритма.
Сколько последовательных
слоёв операций требуется.
Совпадает ли идеальное
конечное состояние.
Меньше — лучше
Сравнить
Должна сохраниться
План тестов: 8–12 небольших схем с разным количеством искусственно добавленных повторяющихся пар.
Графики строятся только по фактически полученным данным; численные результаты заранее не задаются.
П Р О Е К Т П О К В А Н ТО В О М У П Р О Г РА М М И Р О В А Н И Ю
6

7.

Ожидаемый результат и ограничения
Предположения, которые нужно подтвердить экспериментом
↓
↔
/↓
=
Меньше вентилей
Глубина
Тот же результат
На тестовых схемах с повторяющимися
парами число операций должно
снизиться.
Может уменьшиться, но это зависит от
расположения операций в схеме.
В идеальном симуляторе состояние
после преобразования должно
совпасть.
Практическая ценность
Ограничения первой версии
Небольшой наглядный инструмент, который показывает, как правила
преобразования могут упрощать квантовые схемы и как измерять
эффект.
Не распознаёт все эквивалентности и не
моделирует шум реального устройства.
Все результаты на этом слайде являются ожидаемыми, а не уже измеренными.
П Р О Е К Т П О К В А Н ТО В О М У П Р О Г РА М М И Р О В А Н И Ю
7

8.

План работы и источники
Что нужно сделать до финальной защиты
ЭТАПЫ
1
2
Разобраться с нужными квантовыми
вентилями.
Написать и проверить алгоритм упрощения.
ИСТОЧНИКИ
[1] IBM Quantum Documentation
Introduction to transpilation
qiskit.qotlabs.org/docs/guides/transpile
[2] IBM Quantum Documentation
3
Подготовить тестовые схемы и собрать
метрики.
Compare transpiler settings
qiskit.qotlabs.org/docs/guides/circuit-transpilation-settings
4
Построить графики, сформулировать выводы
и ограничения.
Ожидаемый формат результата: код + таблица + 1–2 графика.
П Р О Е К Т П О К В А Н ТО В О М У П Р О Г РА М М И Р О В А Н И Ю
8