Εισαγωγή - Κβαντικές Καταστάσεις

Κωνσταντίνος Τσίπης

Ιωάννης Θεοδώνης

Γίνεται όλο και πιο φανερό ότι η περίοδος που διανύουμε αποτελεί μια περίοδο άνθησης των κβαντικών υπολογιστών. Οι κβαντικοί υπολογιστές είναι πλέον ελεύθερα διαθέσιμοι για την εκτέλεση κβαντικών αλγορίθμων που έχουν υλοποιηθεί σε Python με τη χρήση των βιβλιοθηκών ανοιχτού κώδικα Qiskit που έχει αναπτύξει η ΙΒΜ. Η εκπαιδευτική μας πρόταση αποτελείται από: α)Σημειωματάριο Jupyter το οποίο οι εκπαιδευόμενοι έρχονται άμεσα σε επαφή με τις αρχές των κβαντικών υπολογιστών μέσω παραδειγμάτων κα κβαντικών αλγορίθμων με τη χρήση της γλώσσας κβαντικού προγραμματισμού Qiskit της IBM, β)διάλεξη-παρουσίαση και συζήτηση του προαναφερθέντος σημειωματάριου με παράλληλη εργαστηριακή άσκηση των εκπαιδευομένων και γ) ασκήσεις με προτεινόμενες λύσεις. Θα γίνει εισαγωγή στο κβαντικό μπιτ (qubit), στις κβαντικές πύλες, στα κβαντικά κυκλώματα και θα παρουσιαστεί ως παράδειγμα υπεροχής των κβαντικών υπολογιστών, ο αλγόριθμος υπέρπυκνης κωδικοποίησης.

ΒΑΣΙΛΕΙΟΣ ΠΑΠΑΘΕΟΥ

Aspasia V. Oikonomou

Η Δεύτερη Κβαντική Επανάσταση αναδιαμορφώνει το επιστημονικό, τεχνολογικό και κοινωνικό τοπίο, καθιστώντας αναγκαία την προετοιμασία των πολιτών για έναν κόσμο στον οποίο οι κβαντικές τεχνολογίες θα διαδραματίζουν ολοένα σημαντικότερο ρόλο. Στο πλαίσιο αυτό, ο Κβαντικός Γραμματισμός αναδύεται ως νέα μορφή επιστημονικού και τεχνολογικού γραμματισμού, που αφορά την κατανόηση, ερμηνεία και κριτική αξιοποίηση βασικών εννοιών, εφαρμογών και κοινωνικών προεκτάσεων της Κβαντικής Επιστήμης και Τεχνολογίας. Σκοπός της διατριβής ήταν η θεωρητική θεμελίωση, η επιχειρησιακοποίηση και η εμπειρική διερεύνηση του Κβαντικού Γραμματισμού στη Δευτεροβάθμια Εκπαίδευση, καθώς και η ανάπτυξη ολοκληρωμένου παιδαγωγικού πλαισίου για τη διδασκαλία της Κβαντικής Υπολογιστικής μέσω παιγνιωδών, βιωματικών και τεχνολογικά διαμεσολαβημένων προσεγγίσεων. Η έρευνα ανέπτυξε ένα πολυδιάστατο θεωρητικό σχήμα με εννοιολογικές, αναπαραστασιακές, τεχνολογικές, μεταγνωστικές και κοινωνικοτεχνολογικές διαστάσεις και χαρτογράφησε κριτικά τη διεθνή βιβλιογραφία, αναδεικνύοντας παιδαγωγικά και ερευνητικά κενά. Οι εμπειρικοί άξονες περιέλαβαν πρωτότυπη διδακτική παρέμβαση σε μαθητές Λυκείου, όπου το πρωτόκολλο Κβαντικής Διανομής Κλειδιού B92 μετασχηματίστηκε σε παιγνιώδη και βιωματική μαθησιακή δραστηριότητα, διερεύνηση της ετοιμότητας και των αναγκών επαγγελματικής ανάπτυξης των εκπαιδευτικών, καθώς και μελέτη της Τεχνητής Νοημοσύνης ως γνωστικού, μεταγνωστικού και ρυθμιστικού υποστηρίγματος της μάθησης. Επιπλέον, σχεδιάστηκε, αναπτύχθηκε και αξιολογήθηκε το ψηφιακό εκπαιδευτικό παιχνίδι QClash - Quantum Traffic Arena ως περιβάλλον παιγνιώδους, διερευνητικής και στρατηγικής μάθησης βασικών εννοιών της Κβαντικής Υπολογιστικής. Τα ευρήματα παρέχουν ενδείξεις ότι επιμέρους διαστάσεις του Κβαντικού Γραμματισμού μπορούν να υποστηριχθούν στη Δευτεροβάθμια Εκπαίδευση μέσω διερευνητικών δραστηριοτήτων, πολλαπλών αναπαραστάσεων, βιωματικών εμπειριών, παιγνιωδών μορφών αλληλεπίδρασης και παιδαγωγικά σχεδιασμένης τεχνολογικής υποστήριξης. Η σημαντικότερη συνεισφορά της διατριβής είναι η διαμόρφωση του Μοντέλου ILIASPA, το οποίο συνθέτει επτά διαστάσεις: Interaction, Learning-by-Doing, Intuition, Abstraction, Strategy, Playfulness και Adaptation. Το μοντέλο προτείνεται ως ολοκληρωμένο θεωρητικό, παιδαγωγικό και τεχνολογικά διαμεσολαβημένο πλαίσιο για την ανάπτυξη Κβαντικού Γραμματισμού στη Δευτεροβάθμια Εκπαίδευση και την προετοιμασία μαθητών ως ενεργών και κριτικά σκεπτόμενων πολιτών της κβαντικής εποχής.

Κ.Ε. Βαγιονάκης

Κωνσταντίνος Καλομιτσίνης

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τον σχεδιασμό, τη προσομοίωση και υλοποίηση κβαντικών αθροιστών στους κβαντικούς επεξεργαστές της IBM των πέντε qubits. Ο σχεδιασμός έγινε με τις βιβλιοθήκες κβαντικών πυλών ΝCV και Clifford+T. Η προσομοίωση και η υλοποίηση έγιναν στην Clifford+T βιβλιοθήκη. Στο πρώτο κεφάλαιο εισάγονται οι βασικές έννοιες των κβαντικών υπολογισμών, ο μαθηματικός φορμαλισμός, το στοιχείο της κβαντικής πληροφορίας (qubit), ο τελεστής πυκνότητας, η χρονική εξέλιξη ενός κβαντικού συστήματος, οι κβαντικοί καταχωρητές, οι κβαντικές βιβλιοθήκες, οι μετρικές κβαντικών κυκλωμάτων, οι υπολογιστικές δομές κλασσικών και κβαντικών πληροφοριών και οι μετρικές ομοιότητας των qubits. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναλύονται τα βασικά κβαντικά κυκλώματα για την άθροιση, εισάγοντας όλες τις πρότυπες αναπαραστάσεις τους, τον πίνακα αλήθειας, τον πίνακα λειτουργίας, το δυαδικό διάγραμμα απόφασης, το κβαντικό πλειότιμο διάγραμμα απόφασης και την χαρακτηριστική συνάρτηση εισόδου-εξόδου. Ακολουθεί η σύνθεση κβαντικών αθροιστών με μεταθέσεις στον πίνακα αλήθειας, χρησιμοποιώντας τις βιβλιοθήκες κβαντικών πυλών NCV και Clifford+T. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι βασικές έννοιες των υπεραγώγιμων qubits που χρησιμοποιούνται από την IBMQ. Κατόπιν εισάγονται οι γράφοι των πυλών CNOTs σε κβαντικούς αθροιστές για τη βελτιστοποίηση των κυκλωμάτων αθροιστή στον κβαντικό επεξεργαστή των 5 qubit της IBMQ. Ακολουθεί η παρουσίαση των αποτελεσμάτων εξομοίωσης και υλοποίησης των κβαντικών αθροιστών. Τα αποτελέσματα των υπολογισμών άθροισης δείχνουν εξάρτηση από τον σχεδιασμό των κβαντικών κυκλωμάτων στον κβαντικό επεξεργαστή ibmqx4 της IBM.