mireabulletinRussian Technological JournalRussian Technological Journal2782-32102500-316XRTU MIREA10.32362/2500-316X-2025-13-6-25-46XEUFSEmireabulletin-1292Research ArticleИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ. ИНФОРМАТИКА. ПРОБЛЕМЫ ИНФОРМАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИINFORMATION SYSTEMS. COMPUTER SCIENCES. ISSUES OF INFORMATION SECURITYПодход к выявлению оптимального набора кубит квантовых вычислительных устройств на примере модели генерации случайных двоичных последовательностейApproach for identifying the optimal set of qubits of quantum computing devices based on a model for generating binary random sequenceshttps://orcid.org/0009-0003-4862-4816КорольковА. В.KorolkovA. V.

Корольков Андрей Вячеславович, к.т.н., член-корреспондент Академии криптографии Российской Федерации, член-корреспондент Академии Инженерных наук им. А.М. Прохорова Российской Федерации, заведующий кафедрой информационной безопасности, Институт искусственного интеллекта, ФГБОУ ВО «МИРЭА – Российский технологический университет» 

119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78 

Andrey V. Korolkov, Cand. Sci. (Eng.), Corresponding Member of the Academy of Cryptography of the Russian Federation, Corresponding Member of the A.M. Prokhorov Academy of Engineering Sciences of the Russian Federation, Head of the Department of Information Security, Institute of Artificial Intelligence, MIREA – Russian Technological University  

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454 

korolkov@mirea.ruhttps://orcid.org/0009-0002-4750-6204КрючковА. А.KryuchkovA. A.

Крючков Андрей Андреевич, старший преподаватель, кафедра информационной безопасности, Институт искусственного интеллекта 

119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78 

Andrey A. Kryuchkov, Senior Lecturer, Department of Information Security, Institute of Artificial Intelligence 

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454 

kryuchkov_a@mirea.ruМИРЭА – Российский технологический университетРоссияMIREA – Russian Technological UniversityRussian Federation2025051220251362546Copyright © Корольков А.В., Крючков А.А., 20252025Корольков А.В., Крючков А.А.Korolkov A.V., Kryuchkov A.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.rtj-mirea.ru/jour/article/view/1292 Цели

 Цели. Отсутствие квантовых компьютеров, устойчивых к ошибкам, а также невозможность обеспечить беспрепятственный и полнофункциональный физический доступ к облачным квантовым системам поднимает актуальный вопрос о необходимости разработки методов оценки и верификации облачных квантовых компьютеров. Авторам видится перспективным использование подхода к анализу возможностей квантового процессора в контексте его применимости для решения некоторых задач, возникающих при оценке систем защиты информации. Одним из примеров теста квантового вычислительного устройства (КВУ) на предмет выявления уровня производительности и качества вычислений может послужить модель генерации случайной двоичной последовательности, анализ которой предоставляет информацию о корректности и надежности исследуемого квантового регистра. Цель работы заключается в разработке программного комплекса, с помощью которого представляется возможным моделирование работы КВУ в режиме квантового генератора случайных чисел.

Методы

Методы. Программная реализация по взаимодействию с облачными квантовыми компьютерами выполнена с использованием библиотеки Qiskit. Интерфейс программного комплекса реализован средствами Qt5, кроссплатформенного набора инструментов и виджетов для создания графических приложений. Анализ генерируемой двоичной последовательности выполнен статистическими тестами NIST STS1.

Результаты

Результаты. Разработан программный комплекс, предоставляющий пользователю в графическом режиме возможность выполнения опционального исследования некоторых облачных квантовых компьютеров на предмет выявления оптимального и наиболее устойчивого к ошибкам набора кубит. Приведены результаты экспериментов на трех облачных КВУ. 

Выводы

Выводы. В условиях накладываемых ограничений на вычислительные мощности и время использования облачных КВУ предложенный подход отличается минимальными требованиями к производительности устройства, предоставляет наглядные и однозначно-интерпретируемые сведения об исследуемых технических характеристиках квантового компьютера, является воспроизводимым, легко масштабируемым и универсальным. 

Objectives

Objectives. The absence of error-resistant quantum computers, coupled with the challenges associated with providing unrestricted and fully operational physical access to cloud quantum computing systems, prompts a critical examination of the necessity to develop universal and independent methods for evaluating and verifying cloud quantum computers. A promising approach involves evaluating the capabilities of a quantum computer in relation to its effectiveness in addressing specific challenges encountered in the assessment of information security systems. A potential test for ascertaining the performance and computational quality of a quantum computing device (QCD) is based on a model designed to generate a random binary sequence. By analyzing this sequence, insights can be obtained into the accuracy and reliability of the quantum register under study. The paper presents a software program developed for simulating the operation of a quantum random number generator.

Methods

Methods. The software implementation for interacting with cloud quantum computers was performed using the Qiskit open-source software kit. The graphical user interface of the software package was developed using a Qt5 crossplatform set of tools and widgets for creating applications. The analysis of the generated binary sequence was performed using a set of statistical tests NIST STS2.

Results

Results. The developed software package provides users with a graphical interface for conducting an analysis of a cloud QCD to identify the optimal and most error-resistant set of qubits. The findings from experiments conducted on three cloud quantum computing devices are reported.

Conclusions

Conclusions. The proposed approach, which is constrained by limitations of computing power and duration of access to cloud-based QCD, imposes minimal demands on the productive capabilities of the quantum system. It offers clear and unequivocally interpretable insights into the technical characteristics of a cloud quantum computer, while also being reproducible, easily scalable, and universally applicable. 

квантовый компьютерквантовое вычислительное устройствогенератор случайных чиселоценка производительностиquantum computerquantum computer devicerandom number generatorbenchmarkingReferencesProctor T., Young K., Baczewski A.D., Blume-Kohout R. Benchmarking quantum computers: arXiv. 2024. arXiv:2407.08828. https://doi.org/10.48550/arXiv.2407.08828Proctor T., Young K., Baczewski A.D., Blume-Kohout R. Benchmarking quantum computers. arXiv. 2024. arXiv:2407.08828. https://doi.org/10.48550/arXiv.2407.08828Amico M., Zhang H., Jurcevic P., et al. Defining Standard Strategies for Quantum Benchmarks. IBM Publications. 2023. URL: https://research.ibm.com/publications/defining-standard-strategies-for-quantum-benchmarks. Дата обращения 15.05.2025.Amico M., Zhang H., Jurcevic P., et al. Defining Standard Strategies for Quantum Benchmarks. IBM Publications. 2023. Available from URL: https://research.ibm.com/publications/defining-standard-strategies-for-quantum-benchmarks. Accessed May 15, 2025.Acuaviva A., Aguirre D., Pena R., Sanz M. Benchmarking Quantum Computers: Towards a Standard Performance Evaluation Approach: arXiv. 2024. arXiv:2407.10941. https://doi.org/10.48550/arXiv.2407.10941Acuaviva A., Aguirre D., Pena R., Sanz M. Benchmarking Quantum Computers: Towards a Standard Performance Evaluation Approach. arXiv. 2024. arXiv:2407.10941. https://doi.org/10.48550/arXiv.2407.10941Eisert J., Hangleiter D., Walk N., et al. Quantum certification and benchmarking. Nat. Rev. Phys. 2020;2:382–390. https://doi.org/10.1038/s42254-020-0186-4Eisert J., Hangleiter D., Walk N., et al. Quantum certification and benchmarking. Nat. Rev. Phys. 2020;2:382–390. https://doi.org/10.1038/s42254-020-0186-4Крючков А.А. О необходимости принятия единого стандарта по оценке производительности и сертификации квантовых вычислительных устройств. Информационно-экономические аспекты стандартизации и технического регулирования. Сборник научных трудов участников I Научно-практической конференции «Стандартизация: траектория науки», посвященной 100-летию деятельности ФГБУ «Институт стандартизации». 2024;6(81):43–49.Kryuchkov A.A. On the need to adopt a single standard for evaluating the performance and certification of quantum computers. Informatsionno-ehkonomicheskie aspekty standartizatsii i tekhnicheskogo regulirovaniya = Information and Economic Aspects of Standardization and Technical Regulation. 2024;6(81):43–49 (in Russ.).Wack A., Paik H., Javadi-Abhari A., Jurcevic P., Faro I., Gambetta J.M., Johnson B.R. Scale, Quality, and Speed: three key attributes to measure the performance of near-term quantum computers.arXiv. 2021. arXiv:2110.14108.https://doi.org/10.48550/arXiv.2110.14108Wack A., Paik H., Javadi-Abhari A., Jurcevic P., Faro I., Gambetta J.M., Johnson B.R. Scale, Quality, and Speed: three key attributes to measure the performance of near-term quantum computers. arXiv. 2021. arXiv:2110.14108. https://doi.org/10.48550/arXiv.2110.14108McKay D.C., Hincks I., Pritchett E.J., Carroll M., Govia L.C.G., Merkel S.T. Benchmarking Quantum Processor Performance at Scale. arXiv. 2023. arXiv:2311.05933. https://doi.org/10.48550/arXiv.2311.05933McKay D.C., Hincks I., Pritchett E.J., Carroll M., Govia L.C.G., Merkel S.T. Benchmarking Quantum Processor Performance at Scale. arXiv. 2023. arXiv:2311.05933. https://doi.org/10.48550/arXiv.2311.05933Amico M., Zhang H., Jurcevic P., Bishop L.S., Nation P., Wack A., McKay D.C. Defining Standard Strategies for Quantum Benchmarks. arXiv. 2023. arXiv:2303.02108 https://doi.org/10.48550/arXiv.2303.02108Amico M., Zhang H., Jurcevic P., Bishop L.S., Nation P., Wack A., McKay D.C. Defining Standard Strategies for Quantum Benchmarks. arXiv. 2023. arXiv:2303.02108 https://doi.org/10.48550/arXiv.2303.02108Shor P.W. Algorithms for quantum computation: discrete logarithms and factoring. In: Proceedings 35th Annual Symposium on Foundations of Computer Science. IEEE; 1994. P. 124–134. https://doi.org/10.1109/SFCS.1994.365700Shor P.W. Algorithms for quantum computation: discrete logarithms and factoring. In: Proceedings 35th Annual Symposium on Foundations of Computer Science. IEEE; 1994. P. 124–134. https://doi.org/10.1109/SFCS.1994.365700Балыгин К.А., Кулик С.П., Молотков С.Н. Реализация квантового генератора случайных чисел: экстракция доказуемо случайных битовых последовательностей из коррелированных марковских цепочек. Письма в ЖЭТФ. 2024;119(7):533–544. https://doi.org/10.31857/S1234567824070115Balygin K.A., Kulik S.P., Molotkov S.N. Implementation of a Quantum Generator of Random Numbers: Extraction of Provably Random Bit Sequences from Correlated Markov Chains. Jetp. Lett. 2024;119(7):538–548. https://doi.org/10.1134/S0021364024600575 [Original Russian Text: Balygin K.A., Kulik S.P., Molotkov S.N. Implementation of a Quantum Generator of Random Numbers: Extraction of Provably Random Bit Sequences from Correlated Markov Chains. Pis’ma v Zhurnal ehksperimental’noi i teoreticheskoi fiziki (Pis’ma v ZHEHTF). 2024;119(7):533–544 (in Russ.). https://doi.org/10.31857/S1234567824070115 ]Гайдаш А.А., Гончаров Р.К., Козубов А.В., Яковлев П.В. Математическая модель квантового генератора случайных чисел на основе флуктуации вакуума. Вестник Санкт-Петербургского университета. Прикладная математика. Информатика. Процессы управления. 2024;20(2):136–153. https://doi.org/10.21638/spbu10.2024.202Gaidash A.A., Goncharov R.K., Kozubov A.V., Yakovlev P.V. Mathematical model of random number generator based on vacuum fluctuations. Vestnik Sankt-Peterburgskogo universiteta. Prikladnaya matematika. Informatika. Protsessy upravleniya = Vestnik of Saint Petersburg University. Applied Mathematics. Computer Science. Control Processes. 2024;20(2):136–153 (in Russ.). https://doi.org/10.21638/spbu10.2024.202Петренко А.А., Ковалев А.В., Бугров В.Е. Генерация случайных чисел с использованием массива связанных лазеров на основе микростолбиков с квантовыми точками. Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2021;21(6):962–968. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2021-21-6-962-968Petrenko A.A., Kovalev A.V., Bougrov V.E. Random number generation with arrays of coupled quantum-dot micropillar lasers. Nauchno-tekhnicheskii vestnik informatsionnykh tekhnologii, mekhaniki i optiki = Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics. 2021;21(6):962–968 (in Russ.). https://doi.org/10.17586/2226-1494-2021-21-6-962-968Орлов М.А., Нечаев К.А., Резниченко С.А. Оценка статистических свойств и криптографической стойкости случайных последовательностей, полученных квантовым компьютером IBM. Безопасность информационных технологий. 2023;30(1):14–26. http://doi.org/10.26583/bit.2023.1.01Orlov M.A., Nechaev K.A., Reznichenko S.A. Evaluation of statistical properties and cryptographic strength of random sequences obtained by an IBM quantum computer. Bezopasnost’ informatsionnykh tekhnologii = IT Security (Russia). 2023;30(1):14–26 (in Russ.). http://doi.org/10.26583/bit.2023.1.01Li Y., Fei Y., Wang W., et al. Quantum random number generator using a cloud superconducting quantum computer based on source-independent protocol. Sci Rep. 2021;11:23873. https://doi.org/10.1038/s41598-021-03286-9Li Y., Fei Y., Wang W., et al. Quantum random number generator using a cloud superconducting quantum computer based on source-independent protocol. Sci Rep. 2021;11:23873. https://doi.org/10.1038/s41598-021-03286-9Salehi R., Razaghi M., Fotouhi B. Hybrid Hadamard and Controlled-Hadamard Based Quantum Random Number Generators in IBM QX. Physica Scripta. 2022;97(6):065101. https://doi.org/10.1088/1402-4896/ac698bSalehi R., Razaghi M., Fotouhi B. Hybrid Hadamard and Controlled-Hadamard Based Quantum Random Number Generators in IBM QX. Physica Scripta. 2022;97(6):065101. https://doi.org/10.1088/1402-4896/ac698bYadav A., Mishra S., Pathak A. Partial loopholes free device-independent quantum random number generator using IBM’s quantum computers. Physica Scripta. 2024;99(11):115103. https://doi.org/10.1088/1402-4896/ad7c02Yadav A., Mishra S., Pathak A. Partial loopholes free device-independent quantum random number generator using IBM’s quantum computers. Physica Scripta. 2024;99(11):115103. https://doi.org/10.1088/1402-4896/ad7c02Feynman R.P. Quantum Mechanical Computers. Optics News. 1985;11(2):11–20. URL: https://www.optica-opn.org/home/articles/on/volume_11/issue_2/features/quantum_mechanical_computers/. Дата обращения 15.05.2025. /. Accessed May 15, 2025.Feynman R.P. Quantum Mechanical Computers. Optics News. 1985;11(2):11–20. Available from URL: https://www.opticaopn.org/home/articles/on/volume_11/issue_2/features/quantum_mechanical_computers/. Accessed May 15, 2025.Крючков А.А. QISs_v.0.3.9: свидетельство о государственной регистрации Программы для ЭВМ RU 2025613655 РФ. Заявка № 2025611456; заявл. 28.01.2025; опубл. 13.02.2025. Бюл. № 2.Kryuchkov A.A. QISs_v.0.3.9: Computer Program RU2025613655 RF. Publ. 13.02.2025 (in Russ.).Крючков А.А., Комогоров К.Е. Моделирование процесса генерации случайных чисел на квантовых вычислительных устройствах. В сб.: Материалы VIII НПК «Актуальные проблемы и перспективы радиотехнических и инфокоммуникационных систем» (18–22 ноября 2024 г., Москва). М.: РТУ МИРЭА; 2024. С. 501–506.Kryuchkov A.A., Komogorov K.E. Simulation of the random number generation process on quantum computing devices. In: Proceedings of the 8th Scientific and Practical Conference “Actual Problems and Prospects of Radio Engineering and Infocommunication Systems.” Moscow: RTU MIREA; 2024. P. 501–506 (in Russ.).Acharya R., Abanin D.A., Aghababaie-Beni L., et al. Quantum error correction below the surface code threshold. Nature. 2025;638:920–926. https://doi.org/10.1038/s41586-024-08449-yAcharya R., Abanin D.A., Aghababaie-Beni L., et al. Quantum error correction below the surface code threshold. Nature. 2025;638:920–926. https://doi.org/10.1038/s41586-024-08449-yVerma S., Kumari S.S., Kumar R.S. Topological quantum error correction with semions. Int. J. Phys. Math. 2024:6(2):44–47. https://doi.org/10.33545/26648636.2024.v6.i2a.95Verma S., Kumari S.S., Kumar R.S. Topological quantum error correction with semions. Int. J. Phys. Math. 2024:6(2):44–47. https://doi.org/10.33545/26648636.2024.v6.i2a.95Webster M., Browne D. Engineering Quantum Error Correction Codes Using Evolutionary Algorithms. IEEE Trans. Quantum Eng. 2025;6:3100514. https://doi.org/10.1109/TQE.2025.3538934Webster M., Browne D. Engineering Quantum Error Correction Codes Using Evolutionary Algorithms. IEEE Trans. Quantum Eng. 2025;6:3100514. https://doi.org/10.1109/TQE.2025.3538934

The authors declare that there are no conflicts of interest present.