Kuantum Devre Sentezi

Haydar Kızılırmak

Níyazí Furkan Bar

Kuantum hesaplama klasik hesaplamaya göre düşük enerji ile yüksek hesaplama gücü sunan, performansını kanıtlamış ve yüksek potansiyel sunan bir hesaplama paradigmasıdır. Bu avantajların kullanılabilmesine yönelik yoğun araştırmalar yapılsa da aktif kullanılmasının önünde hem donanımsal hem yazılımsal engeller bulunmaktadır. Tez çalışmasında, kuantum hesaplamanın sunduğu potansiyel ve avantajlardan daha fazla yararlanabilmek için araştırmalar yapılmıştır. Bu araştırmalarda süper pozisyon ve dolanıklık özellikleri, klasik verileri kuantum ortama aktarmak için veri kodlama yöntemleri, kuantum hesaplama simülatörleri, kuantum devre oluşturma yöntemleri, kuantum devre ve kod optimizasyon yöntemleri, kuantum üniter matrisi kuantum devre ve koda dönüştürme yöntemleri incelenmiştir. Yapılan araştırmalar ve incelemeler sonucu elde edilen temel bilimsel katkılar; klasik verileri kuantum ortama aktarmak için süper pozisyon özelliğini kullanan verimli bir veri kodlama yöntemi, derin takviyeli öğrenme için verimli ve ölçeklendirilebilir kuantum devre tasarımı, kuantum devre ve kod tasarımını kolaylaştıracak verimli bir kuantum hesaplama simülatörü, kuantum devre ve kod veri seti oluşturan yöntem ve derin öğrenme tabanlı otomatik kuantum hesaplama modeli oluşturan yöntemlerin geliştirilmesi alanlarında sağlanmıştır. Derin takviyeli öğrenme için önerilen verimli ve ölçeklenebilir devre tasarımında az kübit sayısıyla kabul edilebilir seviyede başarı oranlarına ulaşılmıştır. Ayrıca diğer yöntemlere göre devrenin kübit sayısının, parametre sayısından bağımsız olarak eylem kümesi eleman sayısı kadar olması garantilenmiştir. Önerilen kuantum hesaplama simülatöründe, diğer simülatörlere göre tasarım ve kod aşamasında %91.5'lik verimlilik elde edilmiştir. Kuantum devre ve kod veri seti oluşturan yöntem ile istenilen kübit sayısı ve derinliğe göre kuantum devrelerin doğruluk tablosu, TFC kodları, kuantum üniter matrisleri ve kuantum devre görselleri %100 doğruluk ve başarı oranı ile üretilmiştir. Derin öğrenme tabanlı otomatik kuantum hesaplama modeli oluşturan yöntemde doğruluk tablosundan kuantum üniter matrise dönüştüren derin öğrenme modeli ve üniter matrisi kuantum hesaplama modeline dönüştüren sistem ile %100 başarı oranı elde edilmiştir. Sonuç olarak yapılan çalışmalarla kuantum hesaplamanın potansiyeli ve avantajlarını kullanmak için çeşitli alanlarda önerilerde bulunulmuştur. Klasik hesaplamalarda kullanılan devre, doğruluk tablosu ve algoritmaların, kuantum devre ve koda dönüştürülebileceği görülmüştür.

Behçet Oral, Tuncay ARDIÇ

Osman Semi Ceylan, Cumali Yaşar

Kuantum Fourier Dönüşümü (QFT), kuantum hesaplamada çeşitli kuantum algoritmaları için çok önemli bir işlemdir. Bu çalışma, devre tabanlı simülasyon yazılımında yüksek boyutta QFT algoritmasının bir uygulamasını sunmaktadır. İlk olarak QFT algoritması kuantum sistemlerde matematiksel olarak incelenmektedir. Ardından, kuantum devreler üzerinde yüksek boyutlu QFT algoritması verilmektedir. Son olarak, bu tekniklerin Cirq kuantum devre simülasyon yazılımı üzerinde pratik bir uygulamasını sunuyoruz. Çalışmamız, kuantum devre simülasyonlarında yüksek boyutlu QFT algoritmasının uygulanmasına yönelik değerli bilgiler ve pratik yönergeler sağlar. Böylelikle kuantum yüksek boyuta daha fazla ilgi çekeceği düşünülmektedir.

Reyhan YILMAZ

Kuantum bilgisayarlar, karmaşık problemlerin üstesinden gelebilecek potansiyelinden dolayı son yıllarda yapılan çalışma sayısı hızla artmaktadır. Kuantum devreler kubitlerin bir araya gelmesi ile oluşmaktadır. Kombinasyonel devrelerde AND, OR, NAND, NOR, XOR ve XNOR gibi geleneksel kapılar kullanılırken kuantum devrelerde Feynman, Toffoli ve Fredkin kapıları kullanılmaktadır. Bu kapıların belirli giriş ve çıkışları vardır. Kuantum kapılar kullanılarak farklı giriş, çıkış ve kapı sayısına sahip kuantum devreler oluşturulmaktadır. Günümüzde kuantum devreler kullanılarak birçok uygulama alanında çalışmalar yapılmaktadır. Kuantum devre tasarımı yapılarak simülasyon programları üzerinden test edilmektedir. Test sırasında kuantum devreleri üzerinde hatalar oluşabilir ve doğruluk tablosu yanlış üretilebilmektedir. Bu tez çalışmasında kuantum devrelerde devre analizi ve hata tespiti için derin öğrenme tabanlı yöntemler geliştirilmiştir. Tez kapsamında üç temel noktada bilimsel katkı sunulmuştur. İlk olarak kuantum devrelerinin analiz edilmesi ve arıza tespiti için veri seti oluşturulmuştur. MATLAB2020A programı kullanılarak 9250 adet örnek "tfc" dosyaları oluşturulmuştur. Bu "tfc" dosyalarından "RCViewer" simülasyon programı kullanılarak kuantum devre şemaları elde edilmiştir. Kuantum devreler kapı ve giriş sayılarına göre etiketlenmiştir. Etiketlenen kuantum devrelerin analizi için kapı ve giriş tespiti yapılmıştır. YOLO algoritması kullanılarak kuantum devrelerinde kapı ve giriş sayıları hesaplanmıştır. Önerilen YOLO algoritması 2800 iterasyon çalıştırılmış ve eğitim-test verisi oranı 80:20 için %87.1 mAP elde edilmiştir. İkinci olarak derin öğrenme tabanlı modeller kullanılarak kuantum devrelerinde özellik çıkarımı ve Destek Vektör Makinesi ile giriş ve kapı sayısı tespit edilmiştir. AlexNet, DarkNet, GoogleNet, Vgg ve ResNet modelleri kullanılmış ve kuantum devre görüntülerinden özellik çıkarımı yapılmıştır. Kullanılan veri seti 3-7 giriş sayısı, 1-8 kapı sayısına sahip 9250 devreden oluşmaktadır. Önerilen yöntemde kapı ve giriş sayıları birlikte kullanılarak toplamda 40 sınıf için sonuçlar elde edilmiştir. DarkNet53 + SVM algoritması için en yüksek %99.81 ve ResNet101 + SVM algoritması için en yüksek 99.78 doğruluk hesaplanmıştır. Son olarak kuantum devrelerinde doğruluk tablosu kullanılarak hata tespit yöntemi geliştirilmiştir. Kuantum devrelerinde kapı ve giriş sayısı tespit edilerek doğruluk tablosu üretilmiştir. Doğruluk tablosu üretilen kuantum devrenin aynı zamanda "tfc" dosyasından "RCViewer" simülasyonu ile de doğruluk tablosu elde edilmektedir. Geliştirilen uygulamada elde edilen doğruluk tablosu ile "RCViewer" simülasyonundan elde edilen doğruluk tablosu karşılaştırılmakta ve hata tespiti yapılmaktadır. Sonuç olarak bu yüksek lisans tez çalışmasında kuantum devrelerin analizi ve hata tespiti için yöntemler geliştirilmiştir. Önerilen yöntemlerin performans sonuçları sunulmuştur. Tez kapsamında yapılan çalışmalar TÜBİTAK 121E439 Numaralı 1001 projesi tarafından desteklenmiştir.

ENGİN ŞAHİN