Подход к выявлению оптимального набора кубит квантовых вычислительных устройств на примере модели генерации случайных двоичных последовательностей

 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. 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. 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. 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. 

1. Proctor T., Young K., Baczewski A.D., Blume-Kohout R. Benchmarking quantum computers: arXiv. 2024. arXiv:2407.08828. https://doi.org/10.48550/arXiv.2407.08828

2. Amico 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.

3. 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.2407.10941

4. Eisert J., Hangleiter D., Walk N., et al. Quantum certification and benchmarking. Nat. Rev. Phys. 2020;2:382–390. https://doi.org/10.1038/s42254-020-0186-4

5. Крючков 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.

6. 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.2110.14108

7. McKay 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.2311.05933

8. Amico 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.2303.02108

9. Shor 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.1994.365700

10. Балыгин 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/S1234567824070115

11. 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/spbu10.2024.202

12. Петренко 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/10.17586/2226-1494-2021-21-6-962-968

13. Орлов 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.2023.1.01

14. Li 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/s41598-021-03286-9

15. Salehi 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/ac698b

16. Yadav 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/ad7c02

17. Feynman 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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-y

21. Verma 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.95

22. Webster 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