Přístupnostní navigace
E-application
Search Search Close
Master's Thesis
Author of thesis: Ing. Jan Swiatkowski
Acad. year: 2025/2026
Supervisor: prof. Ing. Jiří Jaroš, Ph.D.
Reviewer: doc. Ing. Michal Bidlo, Ph.D.
This thesis focuses on the methodology for mapping and executing practically applicable optimization problems, such as Exact Set Cover, Knapsack, and SAT, on quantum computers. Unlike classical computers that operate with bits, quantum computers utilize quantum qubits and phenomena such as superposition and entanglement, allowing them to search vast state spaces in parallel. They are therefore particularly suitable for solving complex combinatorial problems where classical algorithms encounter computational limits. The core of the work is a hybrid solver for the Exact Set Cover problem employing a Branch-and-Bound strategy. Within this framework, quantum circuits based on Grover's algorithm are selectively generated for relevant subproblems. Grover's algorithm provides a quadratic speedup for unstructured search, which is crucial for finding configurations.Accounting for the constraints of the current NISQ hardware generation, the thesis includes a comparative analysis of results from simulators and real systems—IQM Star24 and IBM Marrakesh (Heron R2)—including a comparison of the Qrisp and Qiskit frameworks. The results of these optimization problem implementations were evaluated using Z-Score, and the requirements of the given quantum circuits were compared for the experimental problem instances. Furthermore, experiments were conducted to assess the threshold depth of a quantum circuit at which the expected output becomes indistinguishable. Matrix-free Measurement Mitigation (M3) was utilized for noise suppression. The thesis concludes with a practical methodological guide for the development of hybrid quantum-classical applications. The work also discusses the advantages of integrating quantum computers with supercomputers at a single physical location and the coordination of their resource allocation.
hybrid computing, quantum computing, practical application, comparison of approaches, Branch-and-Bound, Exact Set Color, SAT, Knapsack, Qiskit, Qrisp, VLQ, IQM, IBM, Error Correction, Error Mitigation, NISQ
Date of defence
22.06.2026
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 Computer Systems
Study programme
Information Technology and Artificial Intelligence (MITAI)
Specialization
High Performance Computing (NHPC)
Composition of Committee
prof. Ing. Jiří Jaroš, Ph.D. (předseda) doc. Ing. Zdeněk Vašíček, Ph.D. (místopředseda) doc. Ing. Ondřej Lengál, Ph.D. (člen) Ing. Jiří Novák, Ph.D. (člen) Ing. Josef Strnadel, Ph.D. (člen) Ing. Vladimír Bartík, Ph.D. (člen)
Supervisor’s reportprof. Ing. Jiří Jaroš, Ph.D.
S aktivitou studenta jsem byl velmi spokojen. Přestože se jednalo o poměrně náročné zadání s řadou překážek, které student nemohl ovlivnit, zejména s nedostupností potřebného hardwaru, zhostil se svého úkolu výborně. V průběhu celého roku pracoval na řešení systematicky, pravidelně konzultoval a průběžně informoval o aktuálních problémech i navrhovaných řešeních.
S výslednou prací jsem velmi spokojen, a proto ji hodnotím stupněm A.
Cílem řešení bylo ověřit aktuální stav v oblasti kvantového počítání a jeho připravenost pro řešení praktických úloh. Kromě obvyklé práce v simulátoru byl kladen důraz také na práci s reálnými zařízeními, což řešení značně zkomplikovalo a několikrát zavedlo do slepé uličky.
Autor se však se všemi problémy úspěšně vypořádal a vypracoval výbornou diplomovou práci, v níž zdokumentoval aktuální úskalí práce s reálnými kvantovými počítači. Přestože se nepodařilo spolehlivě vyřešit problém ECP, zejména z důvodu dětských bolestí současného hardwaru, považuji získané zkušenosti za velmi cenné a přínosné pro odbornou veřejnost.
Již dlouho se mi nestalo, abych měl první verzi textu technické zprávy k dispozici s měsíčním předstihem! Text jsem tak měl možnost několikrát projít a s jeho finální podobou jsem velmi spokojen.
Přestože byla implementace dokončována ještě počátkem května, je nutné vzít v úvahu, že potřebný hardware nebyl po většinu roku dostupný. I přesto student stihl vše podstatné.
Výsledky práce dosud nebyly publikovány, práce má však poměrně velký potenciál sloužit jako technický manuál pro budoucí uživatele kvantových počítačů.
Student byl při studiu literárních pramenů velmi aktivní a samostatný. Identifikované problémy se vždy snažil opřít o relevantní literaturu a hledal v ní možná východiska.
Student byl při řešení práce velmi aktivní. Na schůzky docházel v pravidelných intervalech, konkrétně dvakrát měsíčně v zimním semestru a každý týden v letním semestru. Vždy byl dobře připravený a organizovaný. Konzultace byly velmi produktivní a z každé z nich existuje zápis.
Vývoj probíhal v souladu s dobrou inženýrskou praxí, a to s využitím verzovacích a tiketovacích systémů.
Grade proposed by supervisor: A
Reviewer’s reportdoc. Ing. Michal Bidlo, Ph.D.
Jedná se o zdařilou práci řešící komplexní téma a přinášející potenciálně publikovatelné výsledky a dobrá východiska pro další zkoumání v této oblasti.
Evaluation level: zadání splněno
Evaluation level: přesahuje obvyklé rozmezí
DP čítá se vším všudy 110 stran, což však není jen důsledek vysoké náročnosti tématu, ale také množstvím úloh, které se diplomant rozhodl řešit.
Práce poskytuje ucelený přehled současných technologií, programátorských přístupů a dostupných vývojových prostředků v oblasti kvantových výpočtů. Zabývá se i vlastnostmi jednotlivých řešení a vzájemně je srovnává, což dává čtenáři možnost systematického přehledu o dané oblasti.
Existují nicméně i místa, která jsou méně srozumitelná, např. od sekce 3.6.2 používání pojmu "uncomputation", kdy není jasné, co je tím myšleno (termín by měl být jasně definován v kontextu reverzibilních výpočtů). Dále např. pojem "Kraus operators", související s modelováním chyb, by měl být blíže vysvětlen, protože i způsob opravy chyb v kvantových počítačích je dále brán do úvahy.
Závažněji vidím nutné zestručnění (na úkor srozumitelnosti) kapitoly 6, resp. 7, popisující nezanedbatelnou avšak komplexní problematiku opravy chyb, resp. další řešené úlohy (SAT, knapsack - dle mého názoru je to náplň na přinejmenším jednu další DP a jejich zařazení zde, tak trochu za každou cenu, spíše celkovou úroveň této práce snižuje).
Práce je psána anglicky a má dobrou jazykovou úroveň. Z formálního pohledu trpí spíše jen drobnostmi - např. výčtové seznamy bez interpunkcí či tečkami za větami. Některé obrázky postrádají odkaz z doprovodného textu.
Bez zásadních výhrad.
Diplomant vytvořil poměrně obsáhlé implementační dílo náročné problematiky zahrnující řešení trojice různých NP-úplných úloh s podporou kvantových počítačů a další podpůrné nástroje. Až na dosti stroze komentované zdrojové kódy nemám zásadních výhrad, náročnost tématu a jeho úspěšné zvládnutí tento technický nedostatek dostatečně vyvažuje.
Práce ukázala různé způsoby realizace řešení vybraných úloh na dostupných kvantových počítačích a hlavně také limity a problémy, se kterými se aktuálně tyto technologie potýkají.
Evaluation level: značně obtížné zadání
Téma je velmi náročné jednak rozsahem nutným k popisu východisek práce, tak samotnou implementační podstatou, kdy je nutné seznámit se s vrcholovými technologiemi běžně nevyučovanými na FIT a následně je využít k realizaci vytipovaných úloh.
Grade proposed by reviewer: B
Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová