Artificial life simulation on a quantum computer

Χρυσάνθη Αλιβέρτη

Published Mar 4, 2022• 0 citations

Abstract

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.

Related papers

Quantum machine learning for drug development

Πανάγος, Κωνσταντίνος Ε., Πανάγος, Κωνσταντίνος Ε.

ΠΕΡΙΛΗΨΗΗ παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζει το ρόλο της κβαντικής μηχανικής μάθησης στη βελτίωση της φαρμακευτικής έρευνας.Στόχος της είναι η διερεύνηση καινοτόμων τεχνολογιών, με το συνδυασμό της μηχανικής μάθησης και της κβαντικής υπολογιστικής, που μπορούν να βελτιώσουν τη διαδικασία ανάπτυξης νέων φαρμάκων, μειώνοντας το χρόνο και το κόστος.Πραγματοποιείται σύγκριση μεταξύ κλασικών και κβαντικών προσεγγίσεων σε ζητήματα επεξεργασίας δεδομένων, πρόβλεψης και ανάλυσης.Εξετάζονται οι βασικές αρχές της μηχανικής μάθησης και της κβαντικής υπολογιστικής, καθώς και η εφαρμογή τους σε προβλήματα μεγάλης υπολογιστικής πολυπλοκότητας, όπως η ανάλυση μοριακών αλληλεπιδράσεων.Παρουσιάζονται τόσο θεωρητικές όσο και πρακτικές προσεγγίσεις, οι οποίες αναδεικνύουν τη δυνατότητα των τεχνολογιών αυτών να βελτιώσουν την αποδοτικότητα.Τα αποτελέσματα της έρευνας καταδεικνύουν τη δυναμική των τεχνολογιών που εξετάζονται όσον αφορά τη διαχείριση μεγάλων δεδομένων και τη μοντελοποίηση σύνθετων συστημάτων στην παραγωγική διαδικασία φαρμάκων.Η εργασία παρέχει ένα γενικό πλαίσιο για τη μελλοντική αξιοποίηση αυτών των τεχνολογιών στη φαρμακευτική έρευνα και καλλιεργεί την ανάγκη για περαιτέρω μελέτη και εξέλιξη στον κλάδο αυτό.

Jan 1, 20250 citations

Ανάπτυξη βιβλιοθήκης και περιβάλλοντος εξομοίωσης κβαντικών υπολογισμών σε γλώσσα Python

Πετρούλα Μαυρίδη

Η παρούσα διπλωματική εργασία αφορά την ανάπτυξη βιβλιοθήκης συναρτήσεων για κβαντικό υπολογισμό και τη δημιουργία γραφικού περιβάλλοντος το οποίο χρησιμοποιεί τη συγκεκριμένη βιβλιοθήκη. Αρχικά μελετήθηκαν: πρώτον, οι βασικές έννοιες που διέπουν τους κβαντικούς υπολογιστές και δεύτερον, η χρήση και οι δυνατότητες της γλώσσας python. Εν συνέχεια, ύστερα από εμβάθυνση στα ανωτέρω πεδία πραγματοποιήθηκε η συγγραφή της κβαντικής βιβλιοθήκης καθώς και η δημιουργία του γραφικού περιβάλλοντος που χρησιμοποιεί τη κβαντική αυτή βιβλιοθήκη. Επίσης δημιουργήθηκε και μία γραφική διεπαφή για την παρουσίαση των γραφικών παραστάσεων που παρουσιάζουν τα αποτελέσματα του κβαντικού υπολογισμού. Η ανάπτυξη του προγράμματος πραγματοποιήθηκε σε γλώσσα Python.

May 27, 20100 citations

Design and synthesis of efficient circuits for quantum computers

Αρχιμήδης Παυλίδης

Οι πρόσφατες εξελίξεις στον τομέα της πειραματικής κατασκευής κβαντικών υπολογιστών με εξαρτήματα αυξημένης αξιοπιστίας δείχνει ότι η κατασκευή τέτοιων μεγάλων μηχανών βασισμένων στις αρχές της κβαντικής φυσικής είναι πιθανή στο κοντινό μέλλον. Καθώς το μέγεθος των μελλοντικών κβαντικών υπολογιστών θα αυξάνεται, η σχεδίαση αποδοτικότερων κβαντικών κυκλωμάτων και μεθόδων σχεδίασης θα αποκτήσει σταδιακά πρακτικό ενδιαφέρον. Η συνεισφορά της διατριβής στην κατεύθυνση της σχεδίασης αποδοτικών κβαντικών κυκλωμάτων είναι διττή: Η πρώτη είναι η σχεδίαση καινοτόμων αποδοτικών αριθμητικών κβαντικών κυκλωμάτων βασισμένων στον Κβαντικό Μετασχηματισμό Fourier (QFT), όπως πολλαπλασιαστής-με-σταθερά-συσσωρευτής (MAC) και διαιρέτης με σταθερά, με γραμμικό βάθος (ή ταχύτητα) ως προς τον αριθμό ψηφίων των ακεραίων. Αυτά τα κυκλώματα συνδυάζονται αποτελεσματικά ώστε να επιτελέσουν την πράξη του modulo πολλαπλασιασμού με σταθερά με γραμμική πολυπλοκότητα χρόνου και χώρου και συνεπώς μπορούν να επιτελέσουν την πράξη της modulo εκθετικοποίησης (modular exponentiation) με τετραγωνική πολυπλοκότητα χρόνου και γραμμική πολυπλοκότητα χώρου. Οι πράξεις της modulo εκθετικοποίησης και του modulo πολλαπλασιασμού είναι αναπόσπαστα μέρη του σημαντικού κβαντικού αλγορίθμου παραγοντοποίησης του Shor, αλλά και άλλων κβαντικών αλγορίθμων της ίδιας οικογένειας, γνωστών ως κβαντική εκτίμηση φάσης (Quantum Phase Estimation). Αντιμετωπίζονται με αποτελεσματικό τρόπο σημαντικά προβλήματα υλοποίησης, που σχετίζονται με την απαίτηση χρήσης κβαντικών πυλών περιστροφής υψηλής ακρίβειας, καθώς και της χρήσης τοπικών επικοινωνιών. Η δεύτερη συνεισφορά της διατριβής είναι μία γενική μεθοδολογία ιεραρχικής σύνθεσης κβαντικών και αντιστρέψιμων κυκλωμάτων αυθαίρετης πολυπλοκότητας και μεγέθους. Η ιεραρχική μέθοδος σύνθεσης χειρίζεται καλύτερα μεγάλα κυκλώματα σε σχέση με τις επίπεδες μεθόδους σύνθεσης. Η προτεινόμενη μέθοδος προσφέρει πλεονεκτήματα σε σχέση με τις συνήθεις ιεραρχικές συνθέσεις που χρησιμοποιούν την μέθοδο "υπολογισμός-αντιγραφή-αντίστροφος υπολογισμός" του Bennett.

Dec 1, 20160 citations

Artificial life simulation in a quantum computer

Μενέλαος Κουσουνής

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.

Mar 4, 20210 citations

Αποδοτική δημιουργία κβαντικών καταστάσεων και φόρτιση κβαντικών μπαταριών με χρήση βέλτιστου ελέγχου

Vasileios Evangelakos

Η σύγχρονη κβαντική επιστήμη και τεχνολογία υπόσχονται στο εγγύς μέλλον την ανάπτυξη συσκευών ικανών να φέρουν επανάσταση σε τομείς όπως η πληροφορική, οι επικοινωνίες, οι αισθητήρες και η αποθήκευση ενέργειας, αξιοποιώντας τις αρχές της κβαντομηχανικής. Στην καρδιά αυτών των εξωτικών εφαρμογών βρίσκεται το πρόβλημα της αποτελεσματικής προετοιμασίας των κβαντικών καταστάσεων. Αυτή η διατριβή αξιοποιεί προηγμένες μεθόδους από τον κβαντικό βέλτιστο έλεγχο για να αντιμετωπίσει βασικές προκλήσεις στην προετοιμασία κβαντικών καταστάσεων, δίνοντας έμφαση στην αναδυόμενη εφαρμογή της κβαντικής αποθήκευσης ενέργειας, προχωρώντας από απλούστερα συστήματα σε συστήματα υψηλότερης πολυπλοκότητας. Ξεκινάμε λύνοντας το πρόβλημα βέλτιστου ελέγχου ελάχιστου χρόνου για τη δημιουργία μιας ομοιόμορφης υπέρθεσης σε ένα κβαντικό σύστημα δύο επιπέδων, μια κατάσταση που χρησιμοποιείται εκτενώς στον αλγόριθμο κβαντικής αναζήτησης του Grover, χρησιμοποιώντας μόνο ένα εγκάρσιο πεδίο ελέγχου περιορισμένου πλάτους. Εξάγουμε αυστηρά βέλτιστες ακολουθίες παλμών τύπου bang-bang για όλους τους λόγους μέγιστου πλάτους ελέγχου και σταθεράς αποσυντονισμού του κβαντικού ψηφίου. Στη συνέχεια, αντιμετωπίζουμε το πρόβλημα της αποτελεσματικής μεταφοράς πληθυσμού σε ένα ατομικό σύστημα τριών επιπέδων τύπου Λ με απώλειες, το οποίο είναι σημαντικό για την κβαντική ανίχνευση. Απεικονίζουμε αυτό το πρόβλημα στο απλούστερο πρόβλημα του βέλτιστου ελέγχου ενός κλασικού αρμονικού ταλαντωτή, το οποίο μπορεί να λυθεί αναλυτικά, και στη συνέχεια επιβεβαιώνουμε αριθμητικά ότι αυτή η λύση μπορεί να επιτύχει σχεδόν βέλτιστη μεταφορά πληθυσμού στο αρχικό κβαντικό σύστημα, προσεγγίζοντας τη βέλτιστη απόδοση για μεγαλύτερες χρονικές διάρκειες. Ακολούθως, στρέφουμε την προσοχή μας στο πρόβλημα της ταχείας φόρτισης κβαντικών μπαταριών, συσκευών που εκμεταλλεύονται τις αρχές της κβαντομηχανικής για την αποθήκευση ενέργειας, αποτελούμενες από συζευγμένα σπιν με αλληλεπίδραση Ising μεταξύ των πλησιέστερων γειτόνων. Μελετάμε δύο κβαντικές μπαταρίες, ένα ζεύγος σπιν και μια αλυσίδα τριών σπιν, στο συνηθισμένο πειραματικό πλαίσιο του πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού με σταθερό διαμήκες πεδίο και εγκάρσιο πεδίο ελέγχου με χρονικά εξαρτώμενο πλάτος και φάση. Και για τα δύο συστήματα αναδεικνύουμε τον κρίσιμο ρόλο που παίζει ο λόγος της σύζευξης Ising προς το σταθερό διαμήκες πεδίο στον προσδιορισμό της αρχικής θεμελιώδους κατάστασης και της βέλτιστης διαδικασίας φόρτισης. Για ένα εγκάρσιο πεδίο ελέγχου με φέρουσα συχνότητα που επιλέγεται για να φέρει σε συντονισμό την αρχική κατάσταση με την κατάσταση-στόχο της υψηλότερης ενέργειας, όπου όλα τα σπιν βρίσκονται στην άνω κατάσταση, διακρίνουμε δύο περιπτώσεις. Στην περίπτωση ασθενούς σύζευξης, όπου η αρχική θεμελιώδης κατάσταση είναι αυτή με όλα τα σπιν κάτω, το βέλτιστο πλάτος ελέγχου είναι σταθερά ίσο με τη μέγιστη επιτρεπτή τιμή καθ' όλη τη διάρκεια και η φάση διαμορφώνεται κατάλληλα με τον χρόνο, ενώ η διάρκεια πλήρους φόρτισης τείνει προς το μηδέν καθώς αυξάνεται το άνω όριο του πλάτους. Στην περίπτωση ισχυρής σύζευξης, όπου η αρχική θεμελιώδης κατάσταση είναι μια κατάσταση Bell για το ζεύγος σπιν και η κατάσταση Dicke |W> μίας διέγερσης για την αλυσίδα με τα τρία σπιν, το βέλτιστο πλάτος ελέγχου μπορεί να περιέχει ιδιάζοντα διαστήματα κατά τα οποία μηδενίζεται, οπότε και η φάση του πεδίου σε αυτά δεν παίζει ρόλο. Σε αυτήν την περίπτωση, ο χρόνος πλήρους φόρτισης φαίνεται να τείνει σε μια μη μηδενική τιμή καθώς αυξάνεται το άνω όριο του πλάτους ελέγχου. Συνολικά, τα αποτελέσματα που προέκυψαν από αυτή τη διατριβή ενοποιούν τις θεωρητικές γνώσεις από τον βέλτιστο έλεγχο με σημαντικές εφαρμογές στις κβαντικές τεχνολογίες.

Nov 12, 20250 citations

Μελέτη υλοποίησης κβαντικών υπολογιστικών συστημάτων

Δημήτριος Νταλαπέρας

Στην παρούσα διατριβή μελετήθηκε η δυνατότητα υλοποίησης συστημάτων κβαντικού υπολογισμού που βασίζονται σε εναλλακτικούς τύπους απεικόνισης κβαντικής πληροφορίας. Μελετήθηκαν δύο κύριες τεχνικές. Η πρώτη βασίστηκε σε αρχιτεκτονική πλέγματος άμεσης γειτνίασης, στην οποία προτάθηκε μηχανισμός εκτέλεσης κβαντικού υπολογισμού με τη χρήση ενός μόνο παλμού σε κάθε υπολογιστικό βήμα. Η εναλλακτική απεικόνιση βασίστηκε στη διαδικασία της τηλεμεταφοράς για την επίτευξη της επιθυμητής διάταξης των κβαντικών μπιτ. Το γεγονός ότι μόνο ένας παλμός εφαρμόζεται σε κάθε βήμα, μπορεί να μειώσει το λάθος που οφείλεται σε αλληλεπιδράσεις κβαντικών μπιτ λόγω διάχυσης του σήματος. Συνεπώς, αν μία υλοποίηση υποστηρίζει αποτελεσματικές πράξεις κβαντικής τηλεμεταφοράς, η μεθοδολογία μπορεί να οδηγήσει σε αρκετά σημαντική μείωση του συνολικού θορύβου. Στη δεύτερη τεχνική, χρησιμοποιήθηκαν τα ανώτερα ενεργειακά επίπεδα ενός κβαντικού μπιτ τύπου τρανσμόν (transmon) για την αποθήκευση κβαντικής πληροφορίας. Μέσω θεωρητικής απόδειξης και πειραμάτων που εκτελέστηκαν στους κβαντικούς επεξεργαστές της IBM Quantum Platform αποδείχθηκε ότι μπορεί να επιτευχθεί διεμπλοκή σε λογικό επίπεδο χρησιμοποιώντας τους βαθμούς ελευθερίας ενός μόνο συστήματος. Αυτό μπορεί να έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση των αναγκαίων παλμών σύζευξης, που είναι η κύρια πηγή θορύβου στους σύγχρονους κβαντικούς επεξεργαστές.

Sep 1, 20240 citations