Simulace a analýza kvantových obvodů - Jobranová, Sára (Vysoké učení technické v Brně. Fakulta informačních technologií, 2024)
Simulace kvantových obvodů je klíčovým nástrojem pro další výzkum v oblasti kvantové výpočetní techniky, která je velmi perspektivní. Jedná se však o velmi výpočetně náročný problém, a z tohoto důvodu jsou i u moderních nástrojů při simulaci komplexních obvodů z hlediska výkonu značné rezervy. V této práci představíme nový přístup k simulaci kvantových obvodů a nástroj implementovaný na základě tohoto přístupu. Tato technika umožňuje přesnou simulaci a je založena na multi-terminálních binárních rozhodovacích diagramech. Také rozšiřuje standardní proces simulace založené na rozhodovacích diagramech o symbolickou exekuci opakujících se struktur v kvantovém obvodě (např. smyček), kdy se spočítá sémantika jednoho opakování této struktury a neprovádíme tudíž opětovné vyhodnocování hradel. Ukázali jsme, že symbolické provádění smyček výrazně urychluje simulaci a že implementovaný nástroj je nejen konkurenceschopný s ostatními nejmodernějšími simulátory, ale také tyto simulátory pro mnoho kvantových obvodů značně překonává.

Simulation of quantum circuits is a key tool for future advancements in the promising field of quantum computing. Due to the fact that this task is very computationally demanding, the performance of state-of-the-art simulators on more complex circuits is still far from satisfactory. In this thesis, we propose a new approach to simulate quantum circuits and present an implementation based on this approach. Our simulation technique allows for accurate simulation and is based on multi-terminal binary decision diagrams. We extended the usual process of a decision diagram-based simulation by symbolic execution of repeating structures in a quantum circuit (such as loops), where we compute the big-step semantics of this structure and do not re-evaluate the gates. We show that symbolic loop execution significantly accelerates the simulation and that the implemented tool is not only competitive with other state-of-the-art simulators, but also greatly outperforms the state of the art for many quantum circuits.
Simulation and Analysis of Quantum Circuits
Keywords: Kvantové výpočty; Simulace kvantových obvodů; Multi-terminální binární rozhodovací diagramy; Symbolická exekuce; Quantum computing; Simulation of quantum circuits; Multi-terminal binary decision diagrams; Symbolic execution