Роль квантовых программных симуляторов при формировании методологической базы для обучения квантовым вычислениям
Аннотация
Статья посвящена актуальной проблеме разработки и внедрению механизма обучения квантовым вычислениям с использованием квантовых программных симуляторов в образовательную среду ВУЗа. Серьезным барьером на пути развития квантовых вычислений является недостаточное количество квалифицированных специалистов, способных работать с новыми вычислительными технологиями. В статье рассматриваются подходы к формированию методологической базы для обучения этому научно-техническому направлению. Особое внимание уделяется использованию квантовых программных симуляторов, позволяющих проводить обучение с использованием классических вычислительных устройств. Приобретение практических навыков работы с квантовыми алгоритмами, включая их моделирование на программных симуляторах для запуска на классических устройствах является основной образовательной задачей при изучении подходов к квантовым вычислениям.
Предлагаемый автором подход интеграции квантовых вычислений в образовательную среду дает возможность формировать курсы обучения по квантовым вычислениям с фокусом на практическое применение в различных предметных областях. Доступность инструментария, интерактивность и гибкость (поддержка различных языков программирования и интеграция с другими инструментами и библиотеками) позволяют использовать предлагаемый механизм при разработке обучающих материалов различного уровня сложности и направленности, делая обучение доступным для более широкой аудитории.
Литература
2. Glukhov V.V., Byankin A.S., Burdakova G.I. Assessment of the role of universities in staffing the digital economy of the region. π-Economy. 2022;15(4):36-48. https:// doi.org/10.18721/JE.15403
3. Temporão G.P., Guerreiro T.B.S., Ripper P.S.C., Pavani A.M.B. Teaching Quantum Computing without prerequisites: a case study. In: 2022 IEEE International Conference on Quantum Computing and Engineering (QCE). Broomfield, CO, USA: IEEE Press; 2022. p. 673-676. https://doi:10.1109/QCE53715.2022.00090
4. Greinert F., Müller R., Bitzenbauer P., Ubben M.S., Weber K. Future quantum workforce: Competences, requirements, and forecasts. Physical Review Physics Education Research. 2023;16(2):010137. https://doi.org/10.1103/PhysRevPhysEducRes.19.010137
5. Satanassi S., Fantini P., Spada R., Levrini O. Quantum Computing for high school: an approach to interdisciplinary in STEM for teaching. Journal of Physics: Conference Series. 2021;1929:012053. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1929/1/012053
6. Hughes C., et al. Assessing the needs of the quantum industry. IEEE Transactions on Education. 2022;65(4):592-601. https://doi.org/10.1109/TE.2022.3153841
7. Galetto F., et al. Experience in teaching quantum computing with hands-on programming labs. The Journal of Supercomputing. 2024;80(10):140290-14056. https://doi.org/10.1007/s11227-024-06001-3
8. Salehi Ö., Seskir Z., Tepe I. A computer science-oriented approach to introduce quantum computing to a new Audience. IEEE Transactions on Education. 2022;65(1):1-8. https://doi.org/10.1109/TE.2021.3078552
9. Preskill J. Quantum computing in the NISQ era and beyond. Quantum. 2018;2:79. https://doi.org/10.22331/q-2018-08-06-79
10. Cheng B., et al. Noisy intermediate-scale quantum computers. Frontiers of Physics. 2023;18(2):21308. https://doi.org/10.1007/s11467-022-1249-z
11. Fingerhuth M., Babej T., Wittek P. Open source software in quantum computing. PLOS ONE. 2018;13(12):e0208561. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0208561
12. Paltenghi M., Pradel M. A Survey on Testing and Analysis of Quantum Software. arXiv:2410.00650. 2024. https://doi.org/10.48550/arXiv.2410.00650
13. Aleksandrowicz G., et al. Qiskit: An Open-source Framework for Quantum Computing (0.7.2). Zenodo. 2019. https://doi.org/10.5281/zenodo.2562111
14. Alexander T., et al. Qiskit pulse: programming quantum computers through the cloud with pulses. Quantum Science and Technology. 2020;5(4):044006. https://doi.org/10.1088/2058-9565/aba404
15. Kharkov Y., et al. Arline Benchmarks: Automated Benchmarking Platform for Quantum Compilers. arXiv:2202.14025. 2022. https://doi.org/10.48550/arXiv.2202.14025
16. Upama P.B., al. Evolution of Quantum Computing: A Systematic Survey on the Use of Quantum Computing Tools. In: 2022 IEEE 46th Annual Computers, Software, and Applications Conference (COMPSAC). Los Alamitos, CA, USA: IEEE Press; 2022. p. 520-529. https://doi.org/10.1109/COMPSAC54236.2022.00096
17. Bergholm V., et al. Pennylane: Automatic differentiation of hybrid quantum-classical computations. arXiv:1811.04968. 2018. https://doi.org/10.48550/arXiv.1811.04968
18. Bromley T.R. et al. Applications of near-term photonic quantum computers: software and algorithms. Quantum Science and Technology. 2020;5(3):034010. https://doi.org/10.1088/2058-9565/ab8504
19. Bayraktar H., et al. CuQuantum SDK: A high-performance library for accelerating quantum science. In: 2023 IEEE International Conference on Quantum Computing and Engineering (QCE). Bellevue, WA, USA: IEEE Press; 2023. p. 1050-1061. https://doi.org/10.1109/QCE57702.2023.00119
20. McClean J.R., Romero J., Babbush R., Aspuru-Guzik A. The theory of variational hybrid quantum-classic algorithms. New Journal of Physics. 2016;18(2):023023. https://doi.org/10.1088/1367-2630/18/2/023023
21. Zrelov P.V., Ivantsova O.V., Korenkov V.V., Ryabov N.V., Ulyanov S.V. Evaluation of the capabilities of classical computers in the implementation of simulators of quantum algorithms. Software products and systems. 2022;35(4):618-630. (In Russ., abstract in Eng.) http://doi.org/10.15827/0236-235X.140.618-630
22. Mykhailova M., Svore K.M. Teaching Quantum Computing through a Practical Software-driven Approach: Experience Report. In: Proceedings of the 51st ACM Technical Symposium on Computer Science Education (SIGCSE '20). New York, NY, USA: Association for Computing Machinery; 2020. p. 1019-1025. https://doi.org/10.1145/3328778.3366952
23. Mykhailova M. Developing Programming Assignments for Teaching Quantum Computing and Quantum Programming. In: 2022 IEEE International Conference on Quantum Computing and Engineering (QCE). Broomfield, CO, USA: IEEE Press; 2022. p. 688-692. https://doi.org/10.1109/QCE53715.2022.00092
24. How M. Advancing multidisciplinary STEM education with mathematics for future-ready quantum algorithmic literacy. Mathematics. 2022;10(7):1146. https://doi.org/10.3390/math10071146
25. Perry A., et al. Quantum Computing as a High School Module. arXiv:1905.00282. 2019. https://doi.org/10.48550/arXiv.1905.00282
26. Kushimo T., Thacker B. Investigating students’ strengths and difficulties in Quantum Computing. arXiv:2212.03726. 2022. https://doi.org/10.48550/arXiv.2212.03726
27. Seegerer S., Michaeli T., Romeike R. Quantum Computing As a Topic in Computer Science Education. In: Proceedings of the 16th Workshop in Primary and Secondary Computing Education (WiPSCE '21). New York, NY, USA: Association for Computing Machinery; 2021. Article number: 13. p. 1-6. https://doi.org/10.1145/3481312.3481348
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
Редакционная политика журнала основывается на традиционных этических принципах российской научной периодики и строится с учетом этических норм работы редакторов и издателей, закрепленных в Кодексе поведения и руководящих принципах наилучшей практики для редактора журнала (Code of Conduct and Best Practice Guidelines for Journal Editors) и Кодексе поведения для издателя журнала (Code of Conduct for Journal Publishers), разработанных Комитетом по публикационной этике - Committee on Publication Ethics (COPE). В процессе издательской деятельности редколлегия журнала руководствуется международными правилами охраны авторского права, нормами действующего законодательства РФ, международными издательскими стандартами и обязательной ссылке на первоисточник.
Журнал позволяет авторам сохранять авторское право без ограничений. Журнал позволяет авторам сохранить права на публикацию без ограничений.
Издательская политика в области авторского права и архивирования определяются «зеленым цветом» в базе данных SHERPA/RoMEO.
Все статьи распространяются на условиях лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная, которая позволяет другим использовать, распространять, дополнять эту работу с обязательной ссылкой на оригинальную работу и публикацию в этом журналe.
