Přístupnostní navigace
E-application
Search Search Close
Bachelor's Thesis
Author of thesis: Filip Novák
Acad. year: 2025/2026
Supervisor: doc. Ing. Ondřej Lengál, Ph.D.
Reviewer: Ing. Vojtěch Havlena, Ph.D.
Simulation of quantum circuits on classical hardware is a key tool for validating quantum programs before deployment on real quantum devices. In this thesis, we address two limitations of an existing decision-diagram-based quantum circuit simulator: its dependence on a heavyweight parallel BDD library, which introduces overhead in single-threaded use, and its restriction to algebraically representable gates. We develop a native Multi-Terminal Binary Decision Diagram extension to a lightweight sequential decision diagram library and integrate it as an alternative backend, achieving better performance and lower memory consumption. We further introduce a floating-point amplitude encoding that lifts the gate set restriction, enabling simulation of variational and rotation-heavy circuits previously out of reach, and extending the tractable problem size for Grover’s algorithm from 40 to 64 qubits within a one-hour timeout.
Multi-terminal binary decision diagrams, Quantum circuits analysis, Quantum circuits simulation, OpenQASM language
Date of defence
16.06.2026
Result of the defence
Defended (thesis was successfully defended)
Grading
A
Process of defence
Student nejprve prezentoval výsledky, kterých dosáhl v rámci své práce. Komise se poté seznámila s hodnocením vedoucího a posudkem oponenta práce. Student následně odpověděl na otázky oponenta a na další otázky přítomných. Komise se na základě posudku oponenta, hodnocení vedoucího, přednesené prezentace a odpovědí studenta na položené otázky rozhodla práci hodnotit stupněm A.
Topics for thesis defence
Language of thesis
English
Faculty
Fakulta informačních technologií
Department
Department of Intelligent Systems
Study programme
Information Technology (BIT)
Composition of Committee
doc. Ing. Jan Kořenek, Ph.D. (předseda) doc. Ing. Ondřej Lengál, Ph.D. (místopředseda) Ing. Bohuslav Křena, Ph.D. (člen) Ing. Šárka Květoňová, Ph.D. (člen) Ing. David Bařina, Ph.D. (člen)
Supervisor’s reportdoc. Ing. Ondřej Lengál, Ph.D.
Bakalářská práce Filipa Nováka zásadně vylepšuje kvantový simulátor MEDUSA v několika ohledech, mimo jiné zlepšuje jeho škálovatelnost na jisté třídě benchmarků o několik řádů a díky nové reprezentaci amplitud rozšiřuje jeho funkčnost na některé dosud nepodporované obvody. Na některých třídách obvodů je to tak aktuálně nejlepší simulátor na světě. Student dále extenzivně porovnal jeho nástroj s ostatními kvantovými simulátory (co je mi známo, tak jde o zatím nejúplnější porovnání) a vyvinul frontend a novou reprezentaci kvantových operací. Celkově jsem s prací velmi spokojen, hodnotím známkou A a navrhuji na další ocenění.
Práce byla značně náročná: vyžadovala nastudování principů kvantového počítání, seznámení se s datovou strukturou binárních rozhodovacích diagramů, kvantovými (state vector) simulátory. Práce navazuje na simulátor MEDUSA vyvinutý v rámci jiné BP na FITu, který významně vylepšuje, a dále dává základy frontendu pro jiné nástroje pracující s kvantovými obvody. S dosaženými výsledky jsem velmi spokojen a plánuji je zahrnout do budoucího vědeckého článku.
Student dostal zadanou studijní literaturu, další vhodné zdroje si dokázal obstarat sám.
Aktivita během řešení byla příkladná, student měl pravidelný pokrok, pravidelně konzultoval, na konzultace chodil vždy dobře připraven s výsledky a otázkami.
Práce byla dokončena v nevelkém, ale dostatečném předstihu, obsah byl dostatečně konzultován.
Vytvořený nástroj je k dispozici na GitHubu jako open source program. Práce byla prezentována na studentské konferenci Excel@FIT. Je v plánu výsledek práce zahrnout do budoucího vědeckého článku. O práci má zájem tým prof. Yu-Fanga Chena z Academia Sinica, Taiwan.
Grade proposed by supervisor: A
Reviewer’s reportIng. Vojtěch Havlena, Ph.D.
Práci hodnotím stupněm A (výborně). Jedná se o obtížné zadání, které se podařilo kvalitně zpracovat. Práce nahrazuje knihovnu pro práci s MTBDD v nástroji MEDUSA vlastní knihovní implementací (založenou na BDD knihovně BuDDy) a rovněž přináší alternativní kódování amplitud založených na číslech s plovoucí řádovou čárkou, umožňující analýzu obvodů s komplexnějšími hradly. Navržené řešení bylo vyhodnoceno na řadě kvantových obvodů, kde se ukázalo, že navržené řešení dosahuje lepších výsledků než původní MEDUSA. Práce je rovněž využitelná v praxi.
Evaluation level: obtížnější zadání
Zadání považuji za obtížné. Bylo třeba nastudovat základy kvantového počítání, kvantových obvodů a způsoby jejich analýzy. Zaměření práce rovněž vyžadovalo znalost binárních rozhodovacích diagramů (BDD), jejich variant (MTBDD) a algoritmy pro práci s nimi.
Jednotlivé kapitoly na sebe navazují a jsou pochopitelné. Logické členění je v pořádku. Algoritmy a jednotlivé konstrukce jsou popsány formálně, což oceňuji (na pár místech jsou drobné nepřesnosti, např. definice Cop operace na straně 12, které ale nesnižují čitelnost ani celkovou kvalitu). Uvítal bych větší množství ilustrativních příkladů (zejména v části uvádějící alternativní kódování amplitud). Celkově je ale prezentační úroveň technické zprávy na vysoké úrovni.
Po typografické stránce se jedná o zdařilé dílo. Text je vysázen v LaTeXu, používá vhodné zvýraznění textu pro odlišení nových pojmů, funkcí, apod. Matematika je vysázená pěkně. Tabulky a obrázky bych umisťoval na horní okraj stránky. Práce je psána dobrou angličtinou s minimem překlepů.
Programové řešení se skládá z implementace MTBDD knihovny (založené na BDD knihovně BuDDy) a modifikovaného nástroje MEDUSA, kde je BDD backend nahrazen za navrženou MTBDD knihovnu. Odevzdané soubory obsahují rozumné návody pro spuštění. Řešení mi bylo předvedeno a zdá se být funkční.
Práce rozšiřuje existující nástroj MEDUSA. Vzhledem k tomu, že navržené řešení dosahuje dobrých výsledků, si dovedu představit, že se stane součástí hlavní větve nástroje MEDUSA. Z toho důvodu se domnívám, že výsledky práce se mohou využít v praxi.
Evaluation level: zadání splněno
Zadání považuji za kvalitně splněné. Student se vydal značně netriviální cestou. Identifikoval problémy stávajících analyzátorů/simulátorů kvantových obvodů založených na binárních rozhodovacích diagramech a řešil je vlastní, optimalizovanou knihovnou pro MTBDD včetně alternativního kódování amplitud. Navržený přístup dosahuje velice pěkných výsledků. Jako důkaz kvalitního zpracování považuji i to, že student vytvořil formát pro definování funkcionality kvantových hradel pomocí MTBDD operací, což zvyšuje modularitu a rozšiřitelnost celé práce.
Evaluation level: je v obvyklém rozmezí
Práce je v obvyklém rozmezí. Jednotlivé pasáže jsou informačně bohaté. Důležité věci jsou popsány na rozumně detailní úrovni. V práci nejsou zbytečné části.
Práce cituje větší množství literatury (zejména vědecké články). Zdroje jsou relevantní k práci a vlastní přínos je řádně odlišen.
Grade proposed by reviewer: A
Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová