ПРОЦЕС ПЕРЕТВОРЕННЯ ВИСОКОРІВНЕВИХ КВАНТОВИХ ВЕНТИЛІВ У БАЗОВІ ДЛЯ ВИКОНАННЯ НА РЕАЛЬНОМУ КВАНТОВОМУ КОМП’ЮТЕРІ

Анотація

У статті здійснено системне дослідження процесу транспіляції квантових алгоритмів, що є обов’язковим етапом підготовки до виконання програм на реальних квантових пристроях. Розкрито сутність поняття базових вентилів (basis gates) як елементарного набору унітарних операцій, які підтримуються конкретним апаратним забезпеченням. Обґрунтовано, чому високорівневі квантові вентилі (такі як Hadamard, Toffoli, Fredkin) не можуть бути реалізовані безпосередньо на більшості сучасних квантових процесорів через апаратні обмеження та особливості архітектури, включно з топологією зв’язків між кубітами. У якості прикладу розглянуто платформу IBM Quantum, де базовий набір для надпровідникових процесорів типу Eagle включає вентилі RZ, SX, X та двокубітну операцію ECR (Echoed Cross Resonance). Проведено поетапний аналіз процесу транспіляції у середовищі Qiskit, що включає уніфікацію схеми, розклад високорівневих вентилів у базові, перетворення логічних кубітів на фізичні, врахування карти з’єднань, вставлення SWAP-вентилів, а також оптимізацію схеми з метою зменшення її глибини та кількості операцій. Пояснено, як транспілятор автоматично адаптує логічну квантову схему до обмежень реального пристрою за допомогою вбудованих бібліотек розкладу вентилів та оптимізаційних проходів (зокрема, алгоритму SABRE). Наведено приклад транспіляції схеми з вентилями H, CX та T, де показано перехід до повністю сумісної з апаратним рівнем реалізації. Визначено переваги використання різних рівнів оптимізації (0–3) транспілятора Qiskit, розглянуто вплив оптимізації на точність результатів та стійкість до шуму. Особливу увагу приділено питанням ефективного програмування з урахуванням апаратних обмежень: зменшенню кількості багатокубітних вентилів, раціональному використанню допоміжних кубітів, обмеженню використання бар’єрів та доцільності ручного коригування відповідностей кубітів у схемі.