Přístupnostní navigace
E-přihláška
Vyhledávání Vyhledat Zavřít
bakalářská práce
Autor práce: Bc. Sára Jobranová
Ak. rok: 2023/2024
Vedoucí: doc. Ing. Ondřej Lengál, Ph.D.
Oponent: Ing. Vojtěch Havlena, Ph.D.
Simulace kvantových obvodů je klíčovým nástrojem pro další výzkum v oblasti kvantové výpočetní techniky, která je velmi perspektivní. Jedná se však o velmi výpočetně náročný problém, a z tohoto důvodu jsou i u moderních nástrojů při simulaci komplexních obvodů z hlediska výkonu značné rezervy. V této práci představíme nový přístup k simulaci kvantových obvodů a nástroj implementovaný na základě tohoto přístupu. Tato technika umožňuje přesnou simulaci a je založena na multi-terminálních binárních rozhodovacích diagramech. Také rozšiřuje standardní proces simulace založené na rozhodovacích diagramech o symbolickou exekuci opakujících se struktur v kvantovém obvodě (např. smyček), kdy se spočítá sémantika jednoho opakování této struktury a neprovádíme tudíž opětovné vyhodnocování hradel. Ukázali jsme, že symbolické provádění smyček výrazně urychluje simulaci a že implementovaný nástroj je nejen konkurenceschopný s ostatními nejmodernějšími simulátory, ale také tyto simulátory pro mnoho kvantových obvodů značně překonává.
Kvantové výpočty, Simulace kvantových obvodů, Multi-terminální binární rozhodovací diagramy, Symbolická exekuce
Termín obhajoby
10.06.2024
Výsledek obhajoby
obhájeno (práce byla úspěšně obhájena)
Klasifikace
A
Průběh obhajoby
Studentka nejprve prezentovala výsledky, kterých dosáhla v rámci své práce. Komise se poté seznámila s hodnocením vedoucího a posudkem oponenta práce. Studentka následně odpověděla na otázky oponenta a na další otázky přítomných. Komise se na základě posudku oponenta, hodnocení vedoucího, přednesené prezentace a odpovědí studentky na položené otázky rozhodla práci hodnotit stupněm A.
Otázky k obhajobě
Jazyk práce
angličtina
Fakulta
Fakulta informačních technologií
Ústav
Ústav inteligentních systémů
Studijní program
Informační technologie (BIT)
Složení komise
doc. RNDr. Milan Češka, Ph.D. (předseda) Ing. Zbyněk Křivka, Ph.D. (člen) doc. Ing. Peter Chudý, Ph.D., MBA (člen) Ing. Jiří Matoušek, Ph.D. (člen) Ing. Jaroslav Rozman, Ph.D. (člen)
Posudek vedoucíhodoc. Ing. Ondřej Lengál, Ph.D.
Sára Jobranová ve své práci vyvinula a implementovala techniky pro pokročilou simulaci kvantových obvodů založených na binárních rozhodovacích diagramech a symbolické exekuci. Na některé třídě obvodů tento simulátor zásadně poráží veškerý současný state of the art a i na obvodech mimo tuto třídu je kompetitivní (obzvlášť, pokud se zaměříme jen na simulátory provádějící přesnou simulaci). Velmi pozitivně hodnotím zapojení Sáry do psaní článku zaslaného na konferenci ICCAD'24, kde je nyní v recenzním řízení. Dále kladně hodnotím to, že se (mimo rozsah práce) podařilo najít a reportovat chyby v jiných nástrojích pro simulaci kvantových obvodů (SliQSim ze skupiny Jie-Hong Rolanda Jianga a Quasimodo ze skupiny Toma Repse). Z výše uvedených důvodů navrhuji hodnotit práci stupněm výborně (A) a navrhuji práci na další ocenění.
Zadání bylo náročné, studentka se musela seznámit za prvé se základy kvantového počítání, za drhué detailně pochopit datovou strukturu binárních rozhodovacích diagramů a za třetí pochopit princip symbolické exekuce kódu. Na těchto základech pak měla za úkol navrhnout a implementovat simulátor kvantových obvodů. Z dosažených výsledků jsem nadšen: vyvinutý simulátor na třídě obvodů provádějících opakovanou amplifikaci amplitudy poráží veškerý součastný state of the art o několik délek.
Studentka dostala zadanou základní literaturu a zbytek si dohledala sama.
Aktivita byla příkladná, studentka práci pravidelně konzultovala.
Obsah práce byl dostatečně konzultován, práce byla dokončena v dostatečném předstihu.
Práce studentky byla prezentována na studentské konferenci Excel@FIT v letech 2023 a 2024 a byla zde oceněna 1) cenou odborného panelu, 2) cenou firmy Honeywell a 3) cenou odborné veřejnosti. Dále byl na základě práce studentky spolu s vedoucím a partnery z Taiwanské Academie Sinicy a National Taiwan University napsán článek zaslaný na konferenci ICCAD'24 (CORE A), což je flagship konference mezinárodní komunity v oblasti automatizovaného návrhu.
Známka navržená vedoucím: A
Posudek oponentaIng. Vojtěch Havlena, Ph.D.
Práce Sáry Jobranové přínáší novou techniku simulace kvantových obvodů založenou na reprezentaci kvantových stavů pomocí MTBDD. Uvedená technika byla implementována v nástroji MEDUSA a experimentálně vyhodnocena na existujících benchmarcích s působivými výsledky, kde vytvořený nástroj poráží v rychlosti stávající simulační nástroje. Práce byla navíc zaslána na prestižní konferenci ICCAD'24. Z těchto důvodů hodnotím známkou výborně (A). Přikláním se rovněž k udělení ceny.
Stupeň hodnocení: obtížnější zadání
Zadání považuji za obtížné. Práce vyžadovala od studenta pochopení základů kvantového počítání, práci s binárími rozhodovacími diagramy a seznámení se s již existující přístupy k simulaci kvantových obvodů. Práce navíc vyžadovala vyvinutí vlastní netriviální invence při vymýšlení nového přístupu pro efektivní simulaci kvantových obvodů.
Jednotlivé kapitoly v práci jsou informačně vyvážené a navazují na sebe. Oceňuji s jakou pečlivostí byla práce napsána. Práce srozumitelně uvádí simulaci kvantových obvodů, přehled již existujících přístupů a potom vlastní techniky a jejich efektivní implementaci. Vše doplněno názornými příklady a obrázky. Pojmy v práci jsou formálně definovány s minimem nepřesností. Oceňuji formální popis uvedených technik.
Práce je velice zdařilá po typografické, tak i po jazykové stránce. Oceňuji psaní práce v angličtině. Práce obsahuje minimum gramatických chyb.
Realizačním výstupem práce je simulátor kvantových obvodů MEDUSA, napsaný v jazyce C. Program simuluje zadaný kvantový obvod (zapsaný v standardním jazyce pro popis obvodů) a produkuje symbolický kvantový stav na výstupu (ve formě MTBDD). Programové řešení mi bylo předvedeno a je funkční. Součástí programu je i podrobná nápověda včetně vstupů kódující kvantové obvody.
Práce přináší nové výsledky z oblasti efektivní simulace kvantových obvodů. Dovedu si představit, že se uvedená technika může stát součastí velkých existujících nástrojů pro práci s kvantovými obvody. Práce byla navíc ve spolupráci s vedoucím práce zaslána na konferenci ICCAD'24 (Core A).
Stupeň hodnocení: zadání splněno
Zadání považuji za kvalitně splněné. Výsledkem práce je technika simulace kvantových obvodů pomocí multi-terminálních binárních rozhodovacích diagramů (MTBDD) včetně efektivní implementace, která dle rozsáhlého experimentálního vyhodnocení dokáže porazit stávající metody na existujících benchmarcích.
Stupeň hodnocení: je v obvyklém rozmezí
Práce je v obvyklém rozmezí, neobsahuje zbytečné části a jednotlivé kapitoly jsou informačně bohaté.
Práce cituje relevantní zdroje, nejčastěji články z konferencí a odborných časopisů. Citace jsou dle zvyklostí.
Známka navržená oponentem: A
Odpovědnost: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová