Уровень алгоритма

Двухкубитное преобразование вектора-состояния: различия между версиями

Материал из Алговики
Перейти к навигации Перейти к поиску
[непроверенная версия][досмотренная версия]
Нет описания правки
Нет описания правки
 
(не показано 18 промежуточных версий 5 участников)
Строка 1: Строка 1:
{{algorithm
| name              = Двухкубитное преобразование <br /> вектора-состояния
| serial_complexity = <math>5 \cdot 2^n</math>
| pf_height        = <math>2</math>
| pf_width          = <math>2^{n+2}</math>
| input_data        = <math>2^n+16</math>
| output_data      = <math>2^n</math>
}}
Основные авторы описания: [[Участник:Chernyavskiy|А.Ю.Чернявский]].


 
== Свойства и структура алгоритма ==
== Описание свойств и структуры алгоритма ==


=== Общее описание алгоритма ===
=== Общее описание алгоритма ===


Алгоритм производит моделирование действия двухкубитного квантового вентиля на вектор-состояние.  
''Алгоритм производит моделирования действия двухкубитного квантового вентиля на вектор-состояние.''
<ref>[[http://sqi.cs.msu.su/store/storage/jpvtv20_algebraic_tools.pdf|Кронберг Д. А., Ожигов Ю. И., Чернявский А. Ю. Алгебраический аппарат квантовой информатики.]]</ref>
<ref>[[http://sqi.cs.msu.su/files/book_v01.pdf|Корж О. В., Чернявский А. Ю. Практикум по суперкомпьютерным технологиям и квантовым вычислениям 3 курс.]] </ref>
<ref>Preskill J. Lecture notes for physics 229: Quantum information and computation //California Institute of Technology. – 1998.</ref>
<ref>Нильсен М., Чанг И. Квантовые вычисления и квантовая информация. – М : Мир, 2006.</ref>
Данный алгоритм обычно является подпрограммой и многократно применяется к различным кубитам одного состояния (например при моделировании квантовых алгоритмов или анализе квантовой запутанности). Особенностью алгоритма, как и большинства алгоритмов квантовой инфоорматики, является экспоненциальный рост объема данных в зависимости от основного параметра - числа кубитов, что приводит к необходимости суперкомпьютерной реализации для решения важных практических задач.


 
=== Математическое описание алгоритма ===
 
=== Математическое описание ===


'''Исходные данные:'''  
'''Исходные данные:'''  
Строка 47: Строка 58:
Как записано и в [[#Вычислительное ядро алгоритма|описании ядра алгоритма]], основную часть метода составляют независимые вычсиления элементов выходного вектора.
Как записано и в [[#Вычислительное ядро алгоритма|описании ядра алгоритма]], основную часть метода составляют независимые вычсиления элементов выходного вектора.


=== Описание схемы реализации последовательного алгоритма ===
=== Схема реализации последовательного алгоритма ===
Для каждого индекса <math>i</math> от <math>0</math> до <math>2^n-1</math>
Для каждого индекса <math>i</math> от <math>0</math> до <math>2^n-1</math>
#Вычислить элементы <math>i_k, i_l</math> двоичного представления индекса <math>i.</math>
#Вычислить элементы <math>i_k, i_l</math> двоичного представления индекса <math>i.</math>
Строка 56: Строка 67:
Алгоритм требует:
Алгоритм требует:
# <math>2^{n+2}</math> операций умножения комплексных чисел;
# <math>2^{n+2}</math> операций умножения комплексных чисел;
# <math>3\dot 2^n</math> операций сложения комплексных чисел;
# <math>3\cdot 2^n</math> операций сложения комплексных чисел;
# <math>2^{n+1}</math> операций получения значения <math>k</math>-го бита числа;
# <math>2^{n+1}</math> операций получения значения <math>k</math>-го бита числа;
# <math>2^{n+3}</math> операций изменения значения <math>k</math>-го бита числа.
# <math>2^{n+3}</math> операций изменения значения <math>k</math>-го бита числа.
Строка 62: Строка 73:


=== Информационный граф ===
=== Информационный граф ===
Представим граф алгоритма для случаев <math>n=3, k=1, l=2</math> и <math>n=3, k=1, l=3</math>. На графах не представлены матрицы преобразования <math>U,</math> в связи с тем, что их размер при больших <math>n</math> много меньше, нежели размеры входного и выходного векторов. Отметим, что структура графа (а именно обращение к входным данным) сильно зависит от параметров <math>k,l.</math>
Представим граф алгоритма для случаев <math>n=3, k=1, l=2</math> (рис.1) и <math>n=3, k=1, l=3</math> (рис.2). На графах не представлены матрицы преобразования <math>U,</math> в связи с тем, что их размер при больших <math>n</math> много меньше, нежели размеры входного и выходного векторов.  
[[file:TwoQubitVectorTransform_23.png|thumb|center|800px|Граф алгоритма для <math>n=3, k=2, l=3</math> без отображения матрицы преобразования <math>U.</math> ]]
[[file:TwoQubitVectorTransform_13.svg|thumb|center|800px|Граф алгоритма для <math>n=3, k=1, l=3</math> без отображения матрицы преобразования <math>U.</math> ]]


=== Описание ресурса параллелизма алгоритма ===
Отображение графа со входными и выходными данных, а также "свёрнутой" основной операцией удобно для понимания локальности обращений к памяти.
Отметим, что структура графа (а именно обращение к входным данным) сильно зависит от параметров <math>k,l.</math>
[[file:TwoQubitVectorTransform_23.png|thumb|center|800px|Рисунок 1. Граф алгоритма для <math>n=3, k=2, l=3</math> без отображения матрицы преобразования <math>U.</math> ]]
[[file:TwoQubitVectorTransform_13.png|thumb|center|800px|Рисунок 2. Граф алгоритма для <math>n=3, k=1, l=3</math> без отображения матрицы преобразования <math>U.</math> ]]
[[file:q_operation2.png|thumb|center|400px|Рисунок 3. Граф основной операции.]]


=== Ресурс параллелизма алгоритма ===
Как видно из информационного графа, прямой алгоритм моделирования однокубитного преобразования обладает высочайшей степенью параллелизма. Все операции вычисления элементов нового вектора-состояния могут быть произведены параллельно. Для вычисления одного элемента необходимо выполнить две операции умножения и одну операцию сложения, операции умножения, в свою очередь, также могут быть выполнены параллельно.
Таким образом, необходимо выполнение двух ярусов: одного, состоящего из <math>2^{n+2}</math> умножений и другого, состоящего из <math>3 \cdot 2^n</math> сложений.


=== Входные и выходные данные алгоритма ===
'''Входные данные:'''


=== Описание входных и выходных данных ===
* Комплексный вектор состояния <math>u</math> длины <math>2^n.</math> Обычно нормирован на единицу.
* Унитарная матрица <math>U</math> порядка <math>4</math>.
* Номера кубитов <math>k,l</math>.


'''Выходные данные:'''
* Комплексный вектор состояния <math>w</math> длины <math>2^n</math>.
'''Объем входных данных:''' <math>2^n+16</math> комплексных чисел и <math>2</math> целочисленых параметра.
'''Объем выходных данных:''' <math>2^n</math> комплексных чисел.


=== Свойства алгоритма ===
=== Свойства алгоритма ===
Соотношение последовательной и параллельной сложности является ''экспоненциальным'' (эксмпонента переходит в константу).


Вычислительная мощность алгоритма, как отношение числа операций к суммарному объему входных и выходных данных – ''константа''.


== Программная реализация ==
== Программная реализация алгоритма ==


=== Особенности реализации последовательного алгоритма ===
=== Особенности реализации последовательного алгоритма ===
На языке C функцию двухкубитного преобразования можно записать следующим образом:


<source lang="C">
void TwoQubitsEvolution(complexd *in, complexd *out, complexd U[4][4], int nqubits, int q1, int q2)
{
//n - число кубитов
//q1, q2 - номера кубитов, над которыми производится преобразование
int shift1=n-q1;
int shift2=n-q2;


=== Описание локальности данных и вычислений ===
//Все биты нулевые, за исключением соответсвующего номеру первого изменяемого кубита
int pow2q1=1<<(shift1);
//Все биты нулевые, за исключением соответсвующего номеру второгоизменяемого кубита
int pow2q2=1<<(shift2);


==== Описание локальности алгоритма ====
int N=1<<nqubits;
for (int i=0; i<N; i++)
{
//Установка изменяемых битов во все возможные позиции
int i00 = i & ~pow2q1 & ~pow2q2;
int i01 = i & ~pow2q1 | pow2q2;
int i10 = (i | pow2q1) & ~pow2q2;
int i11 = i | pow2q1 | pow2q2;


==== Описание локальности реализации алгоритма ====
//Получение значений изменяемых битов
int iq1 = (i & pow2q1) >> shift1;
int iq2 = (i & pow2q2) >> shift2;


===== Описание структуры обращений в память и качественная оценка локальности =====
//Индекс в матрице
int iq=(iq1<<1)+iq2;


out[i] = U[iq][(0<<1)+0] * in[i00] + U[iq][(0<<1)+1] * in[i01] + U[iq][(1<<1)+0] * in[i10] + U[iq][(1<<1)+1] * in[i11];
}
}
</source>


Особенности последовательной реализации аналогичны [[Однокубитное преобразование вектора-состояния#Особенности реализации последовательного алгоритма|Особенности реализации последовательного алгоритма однокубитного преобразования]].
=== Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма ===
=== Результаты прогонов ===
=== Выводы для классов архитектур ===


== Литература ==
== Литература ==
<references />
[[Категория:Статьи в работе]]
[[Категория:Алгоритмы моделирования квантовых систем]]
[[en:Two-qubit transform of a state vector]]

Текущая версия от 12:58, 19 июля 2022


Двухкубитное преобразование
вектора-состояния
Последовательный алгоритм
Последовательная сложность [math]\displaystyle{ 5 \cdot 2^n }[/math]
Объём входных данных [math]\displaystyle{ 2^n+16 }[/math]
Объём выходных данных [math]\displaystyle{ 2^n }[/math]
Параллельный алгоритм
Высота ярусно-параллельной формы [math]\displaystyle{ 2 }[/math]
Ширина ярусно-параллельной формы [math]\displaystyle{ 2^{n+2} }[/math]

Основные авторы описания: А.Ю.Чернявский.

Свойства и структура алгоритма

Общее описание алгоритма

Алгоритм производит моделирования действия двухкубитного квантового вентиля на вектор-состояние. [1] [2] [3] [4] Данный алгоритм обычно является подпрограммой и многократно применяется к различным кубитам одного состояния (например при моделировании квантовых алгоритмов или анализе квантовой запутанности). Особенностью алгоритма, как и большинства алгоритмов квантовой инфоорматики, является экспоненциальный рост объема данных в зависимости от основного параметра - числа кубитов, что приводит к необходимости суперкомпьютерной реализации для решения важных практических задач.

Математическое описание алгоритма

Исходные данные:

-Целочисленные параметры [math]\displaystyle{ n - }[/math] число кубитов (необязательно) и [math]\displaystyle{ k,l - }[/math] номера кубитов, над которым производится преобразование.

-Комплексная матрица [math]\displaystyle{ U = {u_{ij}}= \begin{pmatrix} u_{00}^{00} & u_{01}^{00} & u_{10}^{00} & u_{11}^{00}\\ u_{00}^{01} & u_{01}^{01} & u_{10}^{01} & u_{11}^{01}\\ u_{00}^{10} & u_{01}^{10} & u_{10}^{10} & u_{11}^{10}\\ u_{00}^{11} & u_{01}^{11} & u_{10}^{11} & u_{11}^{11} \end{pmatrix} }[/math] двухкубитного преобразования размера [math]\displaystyle{ 4 \times 4. }[/math] Верхние и нижние двойные индексы обозначают бинарную запись индексов [math]\displaystyle{ i }[/math] и [math]\displaystyle{ j }[/math] (такие обозначения сильно упрощают дальнейшее описание).

-Комплексный вектор [math]\displaystyle{ v }[/math] размерности [math]\displaystyle{ 2^n, }[/math] задающей начальное состояние многокубитной системы.


Вычисляемые данные: комплексный вектор [math]\displaystyle{ w }[/math] размерности [math]\displaystyle{ 2^n, }[/math] соответствующий состоянию после преобразования.


Формулы метода:

Элементы итогового вектора записываются в следующем виде:

[math]\displaystyle{ w_{i_1i_2\ldots i_k \ldots i_l \ldots i_n} = \sum\limits_{j_k=0, j_l=0}^1 u^{j_k j_l}_{i_k i_l} v_{i_1i_2\ldots j_k \ldots j_l \ldots i_n} }[/math]

Индекс-кортеж [math]\displaystyle{ i_1i_2\ldots i_n }[/math] представляет собой двоичную запись индекса элемента в массиве.


Вычислительное ядро алгоритма

Вычислительное ядро алгоритма представляет собой независимое вычисление всех [math]\displaystyle{ 2^n }[/math] элементов вектора [math]\displaystyle{ w. }[/math] Вычисление каждого элемента требует четыре операции умножения и три операцию сложения. Кроме того необходимо вычислять индексы типа [math]\displaystyle{ i_1i_2\ldots j_k \ldots j_l \ldots i_n, }[/math] а также значение битов [math]\displaystyle{ j_k,j_l }[/math] что требует побитовых операций.

Макроструктура алгоритма

Как записано и в описании ядра алгоритма, основную часть метода составляют независимые вычсиления элементов выходного вектора.

Схема реализации последовательного алгоритма

Для каждого индекса [math]\displaystyle{ i }[/math] от [math]\displaystyle{ 0 }[/math] до [math]\displaystyle{ 2^n-1 }[/math]

  1. Вычислить элементы [math]\displaystyle{ i_k, i_l }[/math] двоичного представления индекса [math]\displaystyle{ i. }[/math]
  2. Для всех четырех бинарных значений [math]\displaystyle{ j_k, j_l }[/math] вычислить индексы [math]\displaystyle{ i_1i_2\ldots j_k \ldots j_l \ldots i_n }[/math]
  3. Просуммировать [math]\displaystyle{ u^{j_k j_l}_{i_k i_l} v_{i_1i_2\ldots j_k \ldots j_l \ldots i_n}. }[/math]

Последовательная сложность алгоритма

Алгоритм требует:

  1. [math]\displaystyle{ 2^{n+2} }[/math] операций умножения комплексных чисел;
  2. [math]\displaystyle{ 3\cdot 2^n }[/math] операций сложения комплексных чисел;
  3. [math]\displaystyle{ 2^{n+1} }[/math] операций получения значения [math]\displaystyle{ k }[/math]-го бита числа;
  4. [math]\displaystyle{ 2^{n+3} }[/math] операций изменения значения [math]\displaystyle{ k }[/math]-го бита числа.

Отметим, что данный алгоритм обычно применяется много раз подряд, в связи с чем вычисления, связанные с побитовыми операциями (3-4), могут единожды проводиться в начале алгоритма. Кроме того, от них можно избавиться, пользуясь сложением и логическим умножением с числами [math]\displaystyle{ 2^l, }[/math] и [math]\displaystyle{ 2^k, }[/math] которые сохраняется для всего алгоритма.

Информационный граф

Представим граф алгоритма для случаев [math]\displaystyle{ n=3, k=1, l=2 }[/math] (рис.1) и [math]\displaystyle{ n=3, k=1, l=3 }[/math] (рис.2). На графах не представлены матрицы преобразования [math]\displaystyle{ U, }[/math] в связи с тем, что их размер при больших [math]\displaystyle{ n }[/math] много меньше, нежели размеры входного и выходного векторов.

Отображение графа со входными и выходными данных, а также "свёрнутой" основной операцией удобно для понимания локальности обращений к памяти. Отметим, что структура графа (а именно обращение к входным данным) сильно зависит от параметров [math]\displaystyle{ k,l. }[/math]

Рисунок 1. Граф алгоритма для [math]\displaystyle{ n=3, k=2, l=3 }[/math] без отображения матрицы преобразования [math]\displaystyle{ U. }[/math]
Рисунок 2. Граф алгоритма для [math]\displaystyle{ n=3, k=1, l=3 }[/math] без отображения матрицы преобразования [math]\displaystyle{ U. }[/math]
Рисунок 3. Граф основной операции.

Ресурс параллелизма алгоритма

Как видно из информационного графа, прямой алгоритм моделирования однокубитного преобразования обладает высочайшей степенью параллелизма. Все операции вычисления элементов нового вектора-состояния могут быть произведены параллельно. Для вычисления одного элемента необходимо выполнить две операции умножения и одну операцию сложения, операции умножения, в свою очередь, также могут быть выполнены параллельно. Таким образом, необходимо выполнение двух ярусов: одного, состоящего из [math]\displaystyle{ 2^{n+2} }[/math] умножений и другого, состоящего из [math]\displaystyle{ 3 \cdot 2^n }[/math] сложений.

Входные и выходные данные алгоритма

Входные данные:

  • Комплексный вектор состояния [math]\displaystyle{ u }[/math] длины [math]\displaystyle{ 2^n. }[/math] Обычно нормирован на единицу.
  • Унитарная матрица [math]\displaystyle{ U }[/math] порядка [math]\displaystyle{ 4 }[/math].
  • Номера кубитов [math]\displaystyle{ k,l }[/math].

Выходные данные:

  • Комплексный вектор состояния [math]\displaystyle{ w }[/math] длины [math]\displaystyle{ 2^n }[/math].

Объем входных данных: [math]\displaystyle{ 2^n+16 }[/math] комплексных чисел и [math]\displaystyle{ 2 }[/math] целочисленых параметра.

Объем выходных данных: [math]\displaystyle{ 2^n }[/math] комплексных чисел.

Свойства алгоритма

Соотношение последовательной и параллельной сложности является экспоненциальным (эксмпонента переходит в константу).

Вычислительная мощность алгоритма, как отношение числа операций к суммарному объему входных и выходных данных – константа.

Программная реализация алгоритма

Особенности реализации последовательного алгоритма

На языке C функцию двухкубитного преобразования можно записать следующим образом:

void TwoQubitsEvolution(complexd *in, complexd *out, complexd U[4][4], int nqubits, int q1, int q2)
{
	//n - число кубитов
	//q1, q2 - номера кубитов, над которыми производится преобразование
	int shift1=n-q1;
	int shift2=n-q2;

	//Все биты нулевые, за исключением соответсвующего номеру первого изменяемого кубита
	int pow2q1=1<<(shift1);
	//Все биты нулевые, за исключением соответсвующего номеру второгоизменяемого кубита
	int pow2q2=1<<(shift2);

	int N=1<<nqubits;
	for	(int i=0; i<N; i++)
	{
		//Установка изменяемых битов во все возможные позиции
		int i00 = i & ~pow2q1 & ~pow2q2;
		int i01 = i & ~pow2q1 | pow2q2;
		int i10 = (i | pow2q1) & ~pow2q2;
		int i11 = i | pow2q1 | pow2q2;
		

		
		//Получение значений изменяемых битов
		int iq1 = (i & pow2q1) >> shift1;
		int iq2 = (i & pow2q2) >> shift2;

		//Индекс в матрице
		int iq=(iq1<<1)+iq2;

		out[i] = U[iq][(0<<1)+0] * in[i00] + U[iq][(0<<1)+1] * in[i01] + U[iq][(1<<1)+0] * in[i10] + U[iq][(1<<1)+1] * in[i11];
	}
}

Особенности последовательной реализации аналогичны Особенности реализации последовательного алгоритма однокубитного преобразования.

Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма

Результаты прогонов

Выводы для классов архитектур

Литература

  1. ↑ [Д. А., Ожигов Ю. И., Чернявский А. Ю. Алгебраический аппарат квантовой информатики.]
  2. ↑ [О. В., Чернявский А. Ю. Практикум по суперкомпьютерным технологиям и квантовым вычислениям 3 курс.]
  3. ↑ Preskill J. Lecture notes for physics 229: Quantum information and computation //California Institute of Technology. – 1998.
  4. ↑ Нильсен М., Чанг И. Квантовые вычисления и квантовая информация. – М : Мир, 2006.