量子计算模拟及优化方法综述

在处理某些大规模并行问题时,量子计算因量子位独特的叠加态和纠缠态特性,相比经典计算机在并行处理方面具有更明显的优势。现阶段,物理量子比特计算机受限于可扩展性、相干时间和量子门操作精度,在经典计算机上开展量子计算模拟成为研究量子优越性和量子算法的有效途径。然而,随着量子比特数的增加,模拟所需的计算机资源呈指数增长。因此,研究大规模量子计算模拟在保证计算准确度、精度及效率的情况下减少模拟所需资源具有重要意义。从量子比特、量子门、量子线路、量子操作系统等方面展开,阐述量子计算的基本原理和背景知识。同时总结基于经典计算机的量子计算模拟基本方法,分析不同方法的设计思路和优缺点,列举目前常见的量子计算模拟器。在此基础上,针对量子计算模拟的通信开销问题,从节点拆分和通信优化2个方面出发,讨论基于超级计算机集群的量子计算模拟优化方法。     

量子计算

近几年来,量子计算机逐渐引起人们的关注。对于计算机科技人员,量子计算机似乎高深莫测。文章是专门为那些不懂量子力学而又想了解量子计算机的计算机工作者撰写的。介绍了和量子计算有关的术语和符号,并着重阐明一个n位量子寄存器为何能存储2^n个n位数？量子计算机的一次操作为何能计算所有x的f(x)？对于解栽些问题,量子计算机为何能有惊人的运算速度？除了上面3个问题外,还将介绍基本的量子逻辑门和量子逻辑网络,接着介绍一个量子算法,然后介绍量子计算机的组织结构,最后是讨论,将评价量子计算机的优势和弱点,并讨论量子计算机的物理实现和对量子计算的展望。     

量子进化算法研究现状综述

在介绍基本量子进化算法(QEA)的基础上,重点归纳总结了最近几年量子进化算法在算法机理和性能方面以及在算法的种群改进、编码扩展、算子创新、算法融合等应用方面的研究成果,进而提出了量子进化算法在模式理论、多目标进化、算法研究、应用等方面进一步的研究内容.     

量子计算与量子密码的原理及研究进展综述

量子计算与量子密码是基于量子效应的计算技术和密码技术.1984年Bennett和Brassard提出了第一个量子密钥分发协议,开启了量子密码学的研究,此后相继在量子加密、量子签名等领域进行了大量研究.1994年,Shor利用量子Fourier变换,设计了第一个实用的量子算法,在多项式时间内对大整数进行因子分解.1996年,Grover提出了量子搜索算法,能够对无结构数据进行二次加速.Shor算法和Grover算法的提出不仅体现了量子计算的优越性,还对传统基于数学困难问题的密码学体制造成威胁.经过半个世纪的发展,量子计算与量子密码在理论与实践的研究上都取得了丰硕的成果.从量子力学的数学框架、基本概念和原理、量子计算基本思想、量子密码研究进展及主要思想等方面进行总结梳理.     

量子模拟器优化综述

近年来, 不断发展的量子计算已成为众人关注的焦点. 然而, 量子硬件存在稀缺性和噪声等问题, 这使得研究量子算法、验证量子芯片等行为都依赖运行在经典计算机上的量子模拟器. 本文讨论了不同量子模拟器使用的主要模拟方法, 并讨论了主流的全振幅状态向量模拟器和基于张量网络的量子模拟器的各种优化. 最后, 我们总结了量子模拟器的现状和未来发展方向.     

量子图像处理问题综述

量子图像处理问题将是量子计算机时代媒体信息处理的一个主要问题。量子图像处理包括一般的处理问题和安全方面的处理问题。本文介绍和分析了量子图像表示方式和处理等问题的最新研究成果。首先给出了目前量子图像处理的一般架构,然后介绍了目前流行的量子图像表示方法、并根据不同的量子图像处理目的对现有的处理算法进行了分类和分析,最后总结并展望了量子图像处理领域的未来发展方向。     

量子计算的研究与应用

对量子计算的最新研究方向进行了介绍,简述了量子计算和量子信息技术的重要应用领域。分析了量子计算机与经典计算机相比所具有的优点和目前制约量子计算机应用发展的主要因素,最后展望了其未来发展趋势。     

量子计算进展与展望

评述量子计算的历史、研究现状以及进一步发展的方向.着重论述量子算法的机理,对已知量子算法特征进行总结分析;归纳量子计算与经典智能计算的结合模式,比较其与传统智能计算的异同.在总结量子计算存在问题的基础上,探讨了今后的研究方向.     

量子机器学习综述

近年来, 机器学习一直是被关注和探讨的研究热点, 被应用到各领域并在其中起着重要作用. 但随着数据量的不断增加, 机器学习算法训练时间越来越长. 与此同时, 量子计算机表现出强大的运算能力. 因此, 有研究人员尝试用量子计算的方法解决机器学习训练时间长的问题, 量子机器学习这一领域应运而生. 量子主成分分析、量子支持向量机、量子深度学习等量子机器学习算法相继被提出, 并有实验证明了量子机器学习算法有显著的加速效果, 使得量子机器学习的研究展现出逐步走高的趋势. 对量子机器学习算法进行综述. 首先介绍量子计算基础; 然后对量子监督学习、量子无监督学习、量子半监督学习、量子强化学习以及量子深度学习5类量子机器学习算法进行介绍; 接着对量子机器学习的相关应用进行介绍并给出了算法实验; 最后进行总结和展望.     

一种面向含噪中尺度量子技术的量子-经典异构计算系统

量子计算有望加速解决经典计算难以解决的问题,如质因子分解、量子化学模拟等.已有单个量子系统可集成大于50个含噪声的固态量子比特,并在特定的计算任务上超越了经典计算机,标志含噪中尺度量子(noisy intermediate-scale quantum, NISQ)计算时代的到来.随着人们可在单个系统中集成越来越多的量子比特,如何将量子比特与控制硬件、软件开发环境、经典计算资源集成得到完整可用的量子计算系统,是一个有待进一步明确的问题.对比了量子计算与经典计算在控制及执行上的异同,并在此基础上提出了面向NISQ时代的量子-经典异构系统.以一个典型的NISQ算法(迭代相位估计算法)为例,介绍了量子算法从软件描述到硬件执行的整体流程,及与该过程相关的高级程序设计语言、编译器、量子软硬件接口和硬件等.在此基础上,讨论了流程中各个层次在NISQ时代面临的挑战.旨在从工程实现的视角,从宏观层面为读者(尤其是量子计算初学者)介绍量子计算系统,希望可以促进人们对NISQ时代下量子计算系统整体结构的理解,并激发更多相关研究.     

量子错误缓解研究进展

由于与环境的相互作用及对量子设备的控制中存在的偏差,量子设备总是在不断产生错误.若不对这些错误加以处理,错误的积累会使得量子算法的实施变得毫无意义.成熟量子计算机的实现依赖于量子纠错技术以纠正量子设备中的错误.然而,由于量子纠错开销巨大,其难以在近期量子设备中实现.故在有噪声中等尺寸量子时代,以变分量子求解器为代表的量子算法选择量子错误缓解技术来压制错误,而非纠正它们.量子错误缓解允许仅通过中等大小的额外资源获得可以接受的计算精读,并已在理论及实验上展示出其可行性.旨在介绍与总结量子错误缓解领域的最新进展,并展望该技术未来发展的前景与方向.     

量子计算与量子计算机

量子计算的强大运算能力使得量子计算机具有广阔的应用前景。该文简要介绍了量子计算的发展现状和基本原理,列举了典型的量子算法,阐明了量子计算机的优越性,最后预测了量子计算及量子计算机的应用方向。     

Towards Software Architecture and Mechanisms for Improving Runtime Variability of Internetware System

As an emerging software paradigm, Internetware is proposed to handle openness, dynamism of software systems in the context of Internet, which implies that such software systems typically have runtime variability that can be improved dynamically to handle various or even unexpected changes of requirements and open environment. Though many progresses of Internetware software technologies have been made to support the adaptation, evolution, context-awareness, etc. of Internetware, how to construct Internetware systems with the ability to improve their runtime variability is still a great challenge in the literature of software engineering. In this paper, we propose software architecture and mechanisms for Internetware systems to support the improvement of their runtime variability by combining software variability and autonomic computing techniques. The Internetware system is organized as three levels that are consist of variable autonomic elements and Internetware entities, and architecture of these software entities is defined and discussed respectively. Moreover, we put forward a series of runtime mechanisms based on these levels, including module selection, intermediator and horizontal management, to realize operations upon the variation points and variants in software architectures and thus achieve the improvement of runtime variability. We develop a sample of Personal Data Resource Network to depict the requirements and scenario of improving runtime variability, and further study the case based on our proposed approach to show its effectiveness and applicability.     

计算网格软件体系结构研究

从研究集成网格计算资源成为具有应用逻辑的复合计算出发,设计了一个新型的分布式软件体系结构—CGSA(Computing-GridSoftwareArchitecture)。CGSA以XML方式显性表达复合计算的组合逻辑,屏蔽了各计算源间的异构性,具有联邦管理自治、计算透明和完备、可扩展、负载平衡等特点。基于CGSA结构,可以充分利用网格计算能力,快速构造新的应用,同时也为集成企业旧的业务系统提供了新的方法。     

PQVPN:抗量子计算攻击的软件VPN设计

随着量子破译算法的不断优化和量子计算机硬件技术的快速发展,目前传统密码算法面临越来越大的安全风险,这使得抗量子计算成为研究热点,目前用传统密码体制构建的VPN,越来越受到量子计算攻击的威胁。为了解决传统VPN中在身份验证和密钥协商环节不能抵抗量子计算攻击的问题,本文基于Microsoft PQCrypto-VPN项目的框架,依赖于OpenSSL的OpenQuantum Safe项目分支,设计了一套抗量子计算攻击的软件VPN系统。对比进入NIST第三轮筛选的后量子数字签名和密钥协商算法,通过综合考量运算性能和安全性能,系统采用后量子签名算法Picnic和密钥协商算法CRYSTALS-KYBER,以实现VPN通信中数据的抗量子计算攻击安全保护。同时,本文对所使用的上述两种后量子算法进行了安全性分析,以阐述本系统的抗量子安全性能,并对系统进行了性能测试。在测试的带宽条件下,VPN连接后最高上传速度可达206 Kb/s,下载速度可达2495 Kb/s,与通过公网直接传输和通过传统OpenVPN传输两种情形下的传输速度相近;在通信延迟方面,相比目前提出的三种后量子VPN系统均有明显降低,在牺牲少量带宽的情况下实现了对数据通信的更高安全保障。     

面向异构计算的高性能计算算法与软件

研发适应国产异构计算环境的高性能计算算法与软件是非常重要的课题,对我国高性能计算软件研发匹配高性能计算硬件高水平发展的速度具有重要意义.首先,简要介绍高性能计算应用软件的现状、趋势和面临挑战,并对几类典型高性能计算应用软件开展并行计算算法特征分析,涵盖了宇宙N体模拟、地球系统模式、计算材料相场动力学、分子动力学、量子计...