The subject of this bachelor thesis is Artificial Life. Moreover, the living organisms (individuals) and the different stages (processes) that constitute the Darwinian evolution, are being expressed using quantum mechanics terms. The acquired model is then realized in the IBM cloud computing environment (IBM Quantum Experience) and the experimental process is conducted to extract specific results. For each distinct process, at least one quantum circuit is built and then sent to a real quantum system. The obtained data are then compared to the ones that are mentioned in the reference paper to confirm their validity, and to the ideal ones (also mentioned in the paper we used as reference) to determine the model’s efficacy. Finally, we propose a modification to the current model, with the ultimate goal being the independence of an individual’s genetically coded lifespan, and its trophic level.
The subject of this bachelor thesis is Artificial Life. Moreover, the living organisms (individuals) and the different stages (processes) that constitute the Darwinian evolution, are being expressed using quantum mechanics terms. The acquired model is then realized in the IBM cloud computing environment (IBM Quantum Experience) and the experimental process is conducted to extract specific results. For each distinct process, at least one quantum circuit is built and then sent to a real quantum system. The obtained data are then compared to the ones that are mentioned in the reference paper to confirm their validity, and to the ideal ones (also mentioned in the paper we used as reference) to determine the model’s efficacy. Finally, we propose a modification to the current model, with the ultimate goal being the independence of an individual’s genetically coded lifespan, and its trophic level.
Η παρούσα εργασία πραγματεύεται το αντικείμενο της τεχνητής ζωής (Artificial Life).Πιο συγκεκριμένα εκφράζουμε με όρους κβαντικής μηχανικής τόσο τους ζωντανούς οργανισμούς όσο και τα διάφορα στάδια και διαδικασίες που αποτελούν τη διαδικασία της Δαρβινικής εξέλιξης. Στη συνέχεια, υλοποιείται το μοντέλο αυτό στο εικονικό περιβάλλον της IBM (IBM Quantum Experience) και πραγματοποιείται η πειραματική διαδικασία για την εξαγωγή αποτελεσμάτων. Για κάθε διαδικασία υλοποιείται τουλάχιστον ένα κβαντικό κύκλωμα το οποίο τρέχει στη συνέχεια σε πραγματικό backend κβαντικού υπολογιστή. Τα αποτελέσματα συγκρίνονται με του άρθρου προς μελέτη με στόχο την επαλήθευση των αποτελεσμάτων του δεύτερου, καθώς και με τα ιδανικά αποτελέσματα ώστε να διαπιστώσουμε την αξιοπιστία του μοντέλου. Τέλος, προτείνουμε με χρήση της εικονικής πλατφόρμας που έχουμε στη διάθεσή μας, μια επέκταση του παραπάνω μοντέλου η οποία στοχεύει στον διαχωρισμό του τροφικού ρόλου των ζωντανών οργανισμών από την προγραμματισμένη διάρκεια ζωής τους.
Η παρούσα εργασία πραγματεύεται την ανάπτυξη αλγορίθμων εκτελέσιμων στον κβαντικό υπολογιστή της IBM, μέσω της πλατφόρμας IBM Quantum Experience. Αρχικά γίνεται μια εισαγωγή στην κβαντική υπολογιστική, στις βασικές αρχές, πράξεις και τα στοιχεία της. Παρουσιάζονται επίσης, οι διάφοροι τελεστές που θα χρησιμοποιηθούν στους αλγορίθμους και η λειτουργία τους. Στη συνέχεια αναλύονται θεωρητικά οι αλγόριθμοι που θα υλοποιηθούν στην εργασία και τέλος παρουσιάζονται οι υλοποιήσεις αυτών των αλγορίθμων σε κβαντικά κυκλώματα, καθώς και οι κλασσικοί αλγόριθμοι δημιουργίας αυτών των κυκλωμάτων.
Η παρούσα εργασία πραγματεύεται την υλοποίηση ενός μοντέλου τεχνητής ζωής στον κβαντικό υπολογιστή της IBM. Αρχικά αναλύεται η λειτουργία ενός κβαντικού υπολογιστή, των βασικών κβαντικών πυλών, που τον απαρτίζουν, καθώς και γίνεται μία εισαγωγή στους κβαντικούς και μη αλγόριθμους και στη χρησιμότητα των συγκεκριμένων υπολογιστών σε προβλήματα προσομοίωσης. Στη συνέχεια αναλύεται η έννοια της τεχνητής ζωής και τα χαρακτηριστικά αυτής. Συνθέτοντας τα δύο προηγούμενα σκέλη αναλύεται το αντίστοιχο πείραμα του Dr. U. Alvarez-Rodriguez. Τέλος επαναλαμβάνεται η εκτέλεση του προηγούμενου πειράματος και ερμηνεύονται τα αποτελέσματά του, καθώς και εισάγονται κάποιες βελτιώσεις σε αυτό.
Σε αυτήν την εργασία επιδιώκεται να δοθεί φως στις αρχές λειτουργίας και προγραμματισμού του κβαντικού υπολογιστή της IBM, να εφαρμοστούν κάποιοι από τους γνωστούς αλγορίθμους και να επιλυθεί ένα γνωστό πρόβλημα σχετικό με την Τεχνητή Νοημοσύνη. Αρχικά γίνεται μία σύντομη αναφορά στην ιστορία των κβαντικών υπολογιστών και στις έως τώρα συνεισφορές της IBM σε αυτόν τον τομέα, με έμφαση στους πόρους και εργαλεία που προσφέρονται στους εξωτερικούς χρήστες. Στη συνέχεια εξηγούνται οι αρχές της κβαντικής υπολογιστικής και οι κβαντικές πύλες που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή των κυκλωμάτων. Ακολουθεί η αναλυτική εξήγηση των γνωστότερων κβαντικών αλγορίθμων, δηλαδή του Grover, του Shor και της κβαντικής εκτίμησης φάσης, μαζί με την πρακτική εφαρμογή τους στο περιβάλλον της IBM. Όλα τα κυκλώματα εκτός από αυτό του αλγορίθμου του Shor εκτελέστηκαν σε περιορισμένο μέγεθος σε πραγματικό κβαντικό υπολογιστή. Τέλος, το πρόβλημα που επιλέχθηκε σε σχέση με την Τεχνητή Νοημοσύνη είναι αυτό της 3-ικανοποιησιμότητας, το οποίο δοκιμάστηκε επίσης σε πραγματικό μηχάνημα, ενώ με τη βοήθεια του κυκλώματος που προέκυψε επιλύθηκε και το πρόβλημα χρωματισμού γράφου σε προσομοιωτή.
Με τον όρο τεχνητή ζωή ορίζεται κάθε προσομοίωση ενός φυσικού συστήματος ζωής. Οι Alvarez-Rodriguez at al ήταν οι πρώτοι που προσομοίωσαν σε κβαντικό υπολογιστή ένα βασικό μοντέλο τεχνητής ζωής, του οποίου τα άτομα αλληλεπιδρούν, αυτoαναπαράγονται, επηρεάζονται από το περιβάλλον και μεταλλάσσονται. Η παρούσα εργασία έχει ως στόχο την αναπαράσταση αυτού του πειράματος και την επέκτασή του. Αρχικά, περιγράφθηκαν κάποιες βασικές έννοιες της κβαντικής υπολογιστικής. Συγκεκριμένα, αναλύθηκαν οι βασικοί όροι της κβαντικής μηχανικής (κβαντικό σύστημα δύο καταστάσεων, κβαντικό bit, κβαντικός καταχωρητής, κβαντικές πύλες, σφαίρα Bloch). Στη συνέχεια, έγινε αναφορά στον ορισμό της τεχνητής ζωής και στη χρησιμότητα του κβαντικού υπολογιστή. Επίσης περιγράφθηκε ο κβαντικός υπολογιστής της IBM, ο οποίος χρησιμοποιήθηκε για τις ανάγκες του πειράματος. Έπειτα, αναλύθηκε εκτενώς το πείραμα των Alvarez-Rodriguez at al και πραγματοποιήθηκε μέσω Matlab η θεωρητική του ανάλυση. Επιπλέον, έγινε αναπαράσταση του πειράματος των Alvarez-Rodriguez at al μέσω του κβαντικού υπολογιστή της IBM. Τα θεωρητικά αποτελέσματα της αναπαράστασης, τα οποία υπολογίστηκαν μέσω Matlab, ήταν ίδια με αυτά του αρχικού πειράματος, ενώ τα αποτελέσματα των μετρήσεων του κβαντικού υπολογιστή ήταν αρκετά παρόμοια με αυτά του αρχικού πειράματος, αλλά δεν ταυτίζονταν απόλυτα μεταξύ τους, εξαιτίας της εξέλιξης του οργάνου, της τυχαιότητας και του θορύβου του. Ωστόσο, τα χαρακτηριστικά του μοντέλου διατηρούνται. Τέλος, προτάθηκε μία επέκταση του πειράματος των Alvarez-Rodriguez at al, στην οποία τα άτομα της προσομοιωμένης κοινωνίας είναι περισσότερα και περιγράφονται από πιο πολλά qubits. Επίσης, η αναπαραγωγή γίνεται μεταξύ δύο ατόμων. Tέλος, λήφθηκαν περισσότερες μετρήσεις συγκριτικά με το αρχικό πείραμα. Το βελτιωμένο πείραμα εκτελέστηκε, εξαιτίας του μεγάλου μεγέθους του, σε έναν κβαντικό προσομοιωτή της IBM. Τα θεωρητικά του αποτελέσματα, τα οποία υπολογίστηκαν μέσω Matlab, βρέθηκαν να συμφωνούν σε μεγάλο βαθμό με τα αποτελέσματα του κβαντικού προσομοιωτή, αλλά όχι απόλυτα, εξαιτίας της τυχαιότητας που εφαρμόστηκε. Και σε αυτό το πείραμα, τα χαρακτηριστικά του μοντέλου που περιέγραψαν οι Alvarez-Rodriguez at al, διατηρούνται.
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.