Ref: Simulation of Quantum Circuits Using the Big-Batch Tensor Network Method

Beschreibung

Ein Quantensimulator ist ein Softwaresystem, das auf klassischen Computern ausgeführt wird und die Quantenschaltkreisen simuliert. Solche Simulatoren spielen eine zentrale Rolle in der Quanteninformatik, insbesondere bei der Validierung von Quantenalgorithmen und der Rauschanalyse. Mit zunehmender Anzahl von Qubits und steigender Schaltkreistiefe wächst jedoch die Dimension des Quantenzustandsraums exponentiell, wodurch die effiziente Simulation großskaliger Mehr-Qubit-Quantenschaltkreise in Bezug auf Rechenkomplexität und Speicherbedarf zu einer erheblichen Herausforderung wird.

Wir laden motivierte Studierende herzlich ein, sich im Rahmen ihrer studentischen Arbeit an der Entwicklung eines Quantensimulators zu beteiligen. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Konzeption und Implementierung von Simulationsalgorithmen für großskalige Mehr-Qubit-Quantenschaltkreise auf klassischen Rechenplattformen. Der im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Quantensimulator ermöglicht die Analyse der Wahrscheinlichkeitsverteilungen von Messergebnissen und unterstützt darüber hinaus die Untersuchung der Auswirkungen von Rauschen und Störeinflüssen auf die Quantenzustände.

Die Studierenden werden sowohl in die algorithmische Entwicklung als auch in die softwareseitige Implementierung skalierbarer Simulationsmethoden für Quantenschaltkreise eingebunden. Die erzielten Forschungsergebnisse, einschließlich des entwickelten Simulators und dessen experimenteller Evaluierung, bilden den zentralen Bestandteil der Abschlussarbeit und werden unter akademischer Betreuung durchgeführt.

Hauptaufgaben

• Analyse und Bewertung von Simulationsmethoden für Quantenschaltkreise (z. B. Schrödinger-Feynman-Algorithmus, Tensor-Network-Ansätze).

• Implementierung eines Mehr-Qubit-Quantenschaltkreis-Simulationsframeworks auf einer Workstation-Plattform.

• Durchführung von Leistungsanalysen und Optimierungen des Simulators, insbesondere in Bezug auf Speicherverbrauch, Rechenkomplexität und Parallelisierungsstrategien.

• Leistungsbewertung anhand repräsentativer Quantenschaltkreise, beispielsweise des Quantum Approximate Optimization Algorithm (QAOA), von Quantum-Kernel-Methoden sowie der Quantum Fourier Transformation (QFT).

• Erstellung und Fertigstellung der studentischen Arbeit, einschließlich der Darstellung experimenteller Ergebnisse und methodischer Analysen.

Was Sie gewinnen werden

• Praktische Erfahrung in der Implementierung eines Quantensimulators auf einer Workstation-Plattform, mit besonderem Fokus auf die praktischen und leistungsbezogenen Aspekte von Mehr-Qubit-Quantenschaltkreisen.

• Umfassende Möglichkeiten für vertiefte technische Diskussionen und akademische Betreuung während des gesamten Forschungsprozesses.

• Die Möglichkeit, die erzielten Forschungsergebnisse für eine Veröffentlichung in einschlägigen wissenschaftlichen Zeitschriften oder Konferenzen aufzubereiten und einzureichen.

Fachliche Kompetenz

Erforderlich:

• Fachlicher Hintergrund in Informatik, Physik, Elektrotechnik oder verwandten Disziplinen

• Gute Kenntnisse in mindestens einer Programmiersprache, z. B. Python oder Julia

• Ausgeprägte Selbstlernkompetenz sowie solide Fähigkeiten in der Softwareentwicklung und -implementierung

Bevorzugt (aber nicht erforderlich):

• Grundkenntnisse der Quanteninformatik, insbesondere zu Quantenzuständen, Quantengattern und Quantenschaltkreisen

• Erfahrung mit Parallelrechnung, numerischer Simulation oder High-Performance Computing

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