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.
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.
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 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 κατασκευή ενός ολοκληρωμένου κβαντικού υπολογιστή αποτελεί μια πρόκληση για τη σύγχρονη επιστήμη. Ο κβαντικός υπολογιστής μας δίνει την ελπίδα πως κάποια στιγμή στο κοντινό μέλλον, θα είμαστε σε θέση να λύνουμε προβλήματα ταχύτερα και πιο αποδοτικά από ότι κάνει ένας κλασσικός υπολογιστής σήμερα. Για παράδειγμα, ο κβαντικός αλγόριθμος παραγοντοποίησης του Shor [3] πετυχαίνει εκθετική επιτάχυνση έναντι του κλασσικού, κάτι που σημαίνει πως η χρήση του πρωτόκολλου κρυπτογράφησης RSA δεν θα είναι όσο ασφαλής είναι σήμερα. Αυτό θα έχει ως αποτέλεσμα μεγάλες αλλαγές στις επικοινωνίες και στις συναλλαγές στο προσεχές μέλλον. Στην παρούσα διπλωματική εργασία θα περιγράψουμε τις αρχές που πρέπει να πληρεί ένα κβαντικό σύστημα για να θεωρηθεί κβαντικός υπολογιστής, πώς υλοποιούμε ένα qubit που είναι η μονάδα πληροφορίας του και τέλος θα μιλήσουμε για το πώς κωδικοποιούμε την κβαντική πληροφορία ώστε να είμαστε σε θέση να τη διορθώσουμε. Αρχίζουμε με τη διατύπωση των αρχών της κβαντικής μηχανικής , όπως προκύπτουν από την πειραματική διαδικασία. Συνεχίζουμε με την υπεραγωγιμότητα, το φαινόμενο που μας επιτρέπει να χειριζόμαστε μακροσκοπικά της κβαντικές ιδιότητες της ύλης, όπως και κάποια ακόμα φαινόμενα, όπως αυτό του Meissner, που μας δίνουν τη δυνατότητα να δημιουργήσουμε το κυκλώμα που υλοποιεί το qubit. Τέλος, περιγράφουμε θεωρητικά ένα καθολικό σύνολο από κβαντικές πύλες και τα κυκλώματα διόρθωσης λαθών κβαντικού κώδικα.
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.
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.
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.