Саидов Бехруз Бадридинович,  Саидов Наимджон Бозорович

Аннотация: 

В работе исследуется проблема резкого увеличения требований к оперативной памяти при классическом моделировании квантовых вычислений. Рост размерности квантовой системы приводит к экспоненциальному увеличению объёма данных, что ограничивает применение традиционных симуляторов вектора состояния рамками установленной оперативной памяти. В результате моделирование систем свыше 28–30 кубитов становится затруднительным без использования специализированных вычислительных кластеров. Предложен метод оптимизации архитектуры симулятора, основанный на применении механизма отображения файлов в адресное пространство процесса (Memory Mapping) и использовании высокоскоростных NVMe-накопителей в качестве расширенного уровня иерархии памяти. Программная реализация выполнена на языке Rust с применением средств безопасного управления памятью и многопоточной обработки данных. Дополнительно разработана схема битовой индексации амплитуд, обеспечивающая последовательный доступ к массивам и снижение доли промахов кэш-памяти. Экспериментальные испытания показали достижение производительности до 362 млн операций в секунду и кратное ускорение по сравнению с интерпретируемыми реализациями. При этом потребление оперативной памяти сохраняется на уровне менее 150 МБ даже при работе с массивами данных объёмом более 16 ГБ. Полученные результаты подтверждают возможность моделирования квантовых систем до 40 кубитов на стандартных рабочих станциях без привлечения дорогостоящих HPC-ресурсов.

Ключевые слова: квантовые вычисления, симуляция вектора состояния, отображение файлов, параллельные вычисления, Rust, NVMe, оптимизация памяти