МИСиС и РКЦ: Библиотека алгоритмов для разработки квантовых приложений

Основные статьи:

• Квантовый компьютер и квантовая связь
• Квантовые компьютеры и сети в России

2022: Библиотека алгоритмов для быстрой разработки квантовых приложений

Российские ученые разработали набор алгоритмов, позволяющих быстро разрабатывать квантовые приложения и различные вычислительные системы для решения сложных задач, в том числе взломов шифров. Об этом TAdviser 28 июля 2022 года сообщили в НИТУ «МИСиС».

Разработками в области квантовых вычислений занимаются как гиганты вроде Google, IBM и Intel, так небольшие стартапы и исследовательские группы. Часть из этих разработок доступна широкой публике через облачные сервисы.

Quantum circuit implementing the order-finding procedure
Иллюстрация: journals.plos.org/plosone

При этом такие компьютеры могут иметь радикально разную архитектуру, что заставило разработчиков задуматься о создании инструментов, позволяющих реализовывать квантовые алгоритмы на большом числе подобных машин без изменения исходного кода. Один из самых успешных продуктов такого рода - открытая библиотека PennyLane, разрабатываемая при поддержке компании Amazon и квантового стартапа Xanadu.

Decomposition of ADDER_MOD circuit into lower-level operations. The decomposition realizes modular addition of two 3-bit integers a and b modulo 3-bit integer N.
Иллюстрация: journals.plos.org/plosone

«Эффективная реализация квантовых алгоритмов является одной из главных задач на пути к практической реализации квантовых вычислений. В данной работе мы представили программный пакет, содержащий реализацию различных квантовых операций и известных квантовых алгоритмов для библиотеки PennyLane», - рассказал один из авторов работы, руководитель лаборатории квантовых информационных технологий Университета «МИСиС» Алексей Федоров.

Decomposition of Ctrl_MULT_MOD circuit into lower-level operations. The decomposition realizes controlled modular multiplication of two 3-bit integers z and m modulo 3-bit integer N.
Иллюстрация: journals.plos.org/plosone

Группа исследователей из НИТУ «МИСИС» и Российского квантового центра разработала пакет инструментов, необходимых для реализации квантового алгоритма Шора, позволяющего быстро подобрать ключ к данным, зашифрованным при помощи алгоритма RSA. По состоянию на 2022 год взлом RSA считается одной из самых приоритетных задач для квантовых компьютеров.

Decomposition of MODULAR_EXPONENTIATION circuit into lower-level operations. The decomposition realizes modular exponentiation yx mod N given 3-bit integers x, y, and N.
Иллюстрация: journals.plos.org/plosone

Исследователи проанализировали операции, необходимые для реализации алгоритма Шора и многих других программ, и реализовали их при помощи тех инструментов и возможностей, которые доступны в библиотеке PennyLane.

Resource estimation for Shor’s algorithm on trapped-ion platform
Иллюстрация: journals.plos.org/plosone

Кроме того, они подготовили набор алгоритмов, позволяющих оценить число кубитов и других ресурсов, необходимых для проведения вычислений на реальном квантовом процессоре.

По оценкам НИТУ «МИСиС», разработанные российскими учеными инструменты позволят ускорить проверку работы различных вариаций алгоритма Шора на разных моделях квантовых компьютеров и продвинуться в разработке других алгоритмов, в которых задействуются схожие логические операции.

Совместное исследование Университета «МИСиС» и РКЦ поддержано ЛИЦ (Лидирующим исследовательским центром), РНФ (Российским научным фондом) и программой «Приоритет 2030». Работа была опубликована в международном научном журнале PLoS One.^[1]

Примечания