Kwantumrekenaarkunde is 'n nuwe tegnologie wat kwantumfisika gebruik om kwessies aan te spreek wat buite die vermoëns van tradisionele rekenaars is.
Baie maatskappye probeer nou om werklike kwantum hardeware beskikbaar te stel aan tienduisende ontwikkelaars, 'n instrument wat wetenskaplikes net sowat drie dekades gelede gedroom het.
As gevolg hiervan, ontplooi ons ingenieurs gereeld toenemend kragtige supergeleidende kwantumrekenaars, wat ons nader bring aan die kwantumrekenaarspoed en -kapasiteit wat nodig is om die wêreld te verander.
In hierdie pos sal ons nader kyk na quantum computing en die gereedskap en raamwerke wat daarmee saamgaan, asook waar hulle in 2022 sal wees.
Wat is Quantum Computing?
Hierdie superrekenaars is gebou op die beginsels van superposisie en verstrengeling, wat twee aspekte van kwantumfisika is. Kwantumrekenaars kan nou take doen teen koerse wat ordes van grootte vinniger is as tradisionele rekenaars terwyl hulle baie minder energie gebruik.
In die 1980's het die gebied van kwantumberekening ontstaan. Toe is dit aan die lig gebring dat kwantumalgoritmes meer doeltreffend was as hul konvensionele ekwivalente om sekere rekenaartake op te los.
Kwantumrekenaarkunde is 'n dissipline van rekenaarwetenskap wat fokus op die bevordering van rekenaartegnologie gebaseer op kwantumteorie-konsepte. Dit maak gebruik van die buitengewone vermoë van subatomiese deeltjies om in verskeie toestande gelyktydig te bestaan, soos 0 en 1. Hulle is in staat om aansienlik meer data te verwerk as gewone rekenaars.
Die kwantumtoestand van 'n item word gebruik om 'n kwantumberekening in kwantumrekenaarbewerkings te skep. Qubits is die fundamentele data-eenhede van kwantumberekening. In kwantumrekenaars dien hulle dieselfde werk as wat stukkies in gewone rekenaars doen, maar hulle tree heeltemal anders op.
Tradisionele bisse is binêr en kan slegs 'n posisie van 0 of 1 handhaaf, terwyl kwbits 'n superposisie van alle moontlike toestande kan insluit.
Beste raamwerke vir kwantumrekenaars
1. Circq
Cirq is gebou deur Google se Quantum AI-span. Dit word gebruik om kwantumkringe te ontwerp en te verbeter wat dan op kwantumrekenaars en simulators getoets word. Cirq is fantasties aangesien dit ontwikkelingsimulators bied wat baie soortgelyk is aan dié wat in die werklike lewe gesien word.
Dit impliseer dat die biblioteek sy pad deur die hardeware-besonderhede rondom NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum) werk sodat ons seker kan wees dat die algoritme of stroombaan op 'n regte kwantumrekenaar uitgevoer kan word nadat dit klaar is.
As gevolg hiervan het dit die potensiaal om ontgin te word om aanpasbare en ontplooibare kwantumkringe te skep. Dit het ook interoperabiliteitskenmerke. 'n Sagteware wat byvoorbeeld kwantumkringe en simulasies invoer en uitvoer.
'n Raamwerk vir die programmering van kwantumrekenaars wat oopbron is. Cirq is 'n Python sagtewarepakket wat jou toelaat om kwantumkringe te skep, te manipuleer en te optimaliseer voordat dit op kwantumrekenaars en simulators uitgevoer word.
Cirq is 'n doeltreffende abstraksie vir die hantering van vandag se raserige intermediêre skaal kwantumrekenaars, waar hardeware vereistes krities is vir die bereiking van die nuutste resultate.
Kenmerke
- Van hekke wat op qubits werk, kan jy leer hoe om kwantumkringe te ontwerp. Leer wat 'n oomblik is en hoe verskeie invoegtaktieke jou kan help om jou ideale stroombaan te bou. Leer hoe om stroombane te sny en in blokkies te sny om nuwe en verbeterde stroombane te skep.
- Tegnologiebeperkings het 'n beduidende invloed op of 'n stroombaan op kontemporêre hardeware geïmplementeer kan word of nie. Leer hoe om Google se Quantum Computing Service te programmeer en hoe om toestelle te skep om hierdie beperkings aan te spreek.
- Beide golffunksies en digtheidsmatrikse het ingeboude simulators in Cirq. Monte Carlo of volle digtheid matriks simulasies kan gebruik word om lawaaierige kwantumkanale aan te pak.
- Om toetse op Google se kwantumverwerkers uit te voer, werk Cirq saam met Quantum Computing Service.
2. ProjekQ
ETH Zurich het ProjectQ geskep, 'n oopbron-kwantumrekenaarsagteware-argitektuur. Dit bied 'n robuuste en eenvoudige sintaksis vir gebruikers om kwantumtoepassings in Python te skep. ProjectQ kan dan hierdie skrifte omskakel na enige vorm van back-end, of dit nou 'n klassieke rekenaarsimulator of 'n kwantumverwerker is.
ProjectQ kan dan hierdie toepassings omskakel na enige soort agterkant, soos 'n klassieke rekenaarsimulator of 'n kwantumverwerker, soos die IBM Quantum Experience-platform.
Kenmerke
- DIT is 'n hoë vlak Programmeringstaal vir kwantumprogramme.
- Dit het 'n modulêre en aanpasbare samesteller.
- Dit bied ook 'n aantal hardeware en sagteware backends.
- 'n Kwantumrekenaarbiblioteek (FermiLib) om fermioniese kwessies op te los
- Die IBM Quantum Experience-skyfie, AQT-toestelle, AWS Braket en IonQ-diensverskaffde toestelle kan almal gebruik word om kwantumalgoritmes uit te voer.
- Op 'n hoër vlak van abstraksie kan kwantumprogramme nageboots word (bv. naboots die aksie van groot orakels in plaas daarvan om hulle saam te stel tot laevlakhekke)
- Op klassieke rekenaars kan kwantumprogramme gesimuleer word.
3. Tensoflow Quantum
Die Python-raamwerk TensorFlow Quantum (TFQ) is vir kwantum machine learning. TFQ is 'n TensorFlow-toepassingsraamwerk wat kwantumalgoritme- en masjienleernavorsers toelaat om Google se kwantumrekenaarraamwerke direk vanaf TensorFlow te gebruik.
TensorFlow Quantum is 'n program wat fokus op kwantumdata en die skepping van kwantum-klassieke bastermodelle. Dit kombineer Cirq-ontwerpte kwantumrekenaartegnieke en logika met TensorFlow API's, sowel as hoëprestasie-kwantumbaansimulators.
Die TFQ-raamwerk kan gebruik word om beide tradisionele en hibriede modelle te laat loop, soos Quantum CNN (QCNN). As gevolg hiervan kan TFQ gebruik word vir enige probleem wat voorheen onmoontlik was om te beantwoord met behulp van tradisionele benaderings. Om sekere werklike probleme te beantwoord, begin met TFQ om kwantum- of kwantum-klassieke bastermodelle te skep.
Kenmerke
- Navorsers kan TFQ gebruik om tensors te skep met behulp van kwantumdatastelle, kwantummodelle en konvensionele beheerparameters in 'n enkele rekenaarnetwerk.
- Tensors word gebruik om kwantumdata ('n multi-dimensionele reeks getalle) te stoor. Elke tensor van kwantumdata word beskryf as 'n Cirq-kwantumbaan wat kwantumdata op die vlieg skep.
- Die navorser kan Cirq gebruik om 'n kwantum te prototipeer neurale netwerk wat later in 'n TensorFlow-berekeningsgrafiek ingesluit sal word.
- Die kapasiteit om gelyktydig talle kwantumkringe op te lei en uit te voer is 'n belangrike kenmerk van TensorFlow Quantum.
4. Percevel
Perceval is 'n oopbronraamwerk vir die programmering van fotoniese kwantumrekenaars wat ontwikkel is deur Perceval, 'n Franse onderneming wat fokus op die bou van 'n nuwe generasie kwantumrekenaars gebaseer op ligmanipulasie.
Perceval bied gereedskap vir die samestelling van stroombane uit lineêre optiese komponente, definieer enkel-foton bronne, manipulering van Fock state, hardloop kwantum simulasies, reproduksie van gepubliseerde eksperimentele referate, en eksperimenteer met 'n nuwe generasie kwantum algoritmes deur 'n eenvoudige objekgeoriënteerde Python API.
Die doel daarvan is om 'n metgeselinstrument te wees vir die bou van kwantumfotoniese stroombane - om hul ontwerp te simuleer en te verfyn, beide ideale en werklike gedrag te modelleer, en om 'n gestandaardiseerde koppelvlak te bied om hulle te beheer via die idee van backends.
Dit is geoptimaliseer om op 'n plaaslike lessenaar te werk, met baie verbeterings vir HPC-klusters, en bied toegang tot gesofistikeerde backends vir numeriese en simboliese simulasie van kwantumalgoritmes op fotoniese stroombane.
Jy kan ook 'n groot aantal voorafvervaardigde komponente gebruik om algoritmes en ingewikkelde lineêre optiese stroombane te skep. 'n Biblioteek van bekende algoritmes is toeganklik, asook lesse oor hoe om dit te gebruik.
Jy kan ook 'n paar reëls kode gebruik om eksperimente uit te voer om algoritmes te verfyn, met eksperimentele data te vergelyk en gepubliseerde publikasies te herskep.
Kenmerke
- 'n Unieke argitektuur wat geheel en al toegewy is aan lineêre optika en fotoniese kwantumrekenaars
- Die projek is 'n oopbronprojek met 'n modulêre argitektuur wat gemeenskapsbydraes verwelkom.
- Deur 'n groot biblioteek van voorafvervaardigde komponente te gebruik, skep algoritmes en ingewikkelde lineêre optiese stroombane. 'n Biblioteek van bekende algoritmes is toeganklik, asook lesse oor hoe om dit te gebruik.
- Eksperimenteer met algoritmes om hulle te verfyn, vergelyk dit met eksperimentele data en kopieer bestaande publikasies in 'n paar reëls kode.
- Om kwantumalgoritmes op fotoniese stroombane na te boots, gebruik gesofistikeerde backends. Perceval is ontwerp om op 'n plaaslike lessenaar te werk in terme van beide numeriese en simboliese werkverrigting, met baie verbeterings vir HPC-klusters.
5. Qiskit
Ons weet dat as ons oor die volgende generasie tegnologie praat, IBM iets sal hê om te bied. Dit doen dit beslis. QisKit is 'n oopbronplatform vir die ontwikkeling van kwantumsagteware.
Qiskit is 'n IBM-befondsde sagtewareraamwerk wat dit vir gebruikers makliker maak om oor te leer quantum computing. Omdat dit moeilik is om kwantumrekenaars te bekom, kan jy 'n wolkverskaffer soos IBM se Qiskit-gereedskapstel gebruik om toegang tot een te verkry.
Dit is heeltemal gratis om te gebruik, en al die kode is open source. Daar is 'n aanlyn handboek wat jou al die grondbeginsels van kwantumfisika leer, wat baie nuttig is vir beginners wat nie vertroud is met die vak nie.
Kwantumrekenaars kan op die vlak van pulse, stroombane en toepassingsmodules gebruik word.
Kenmerke
- Gebruikers van verskeie vlakke kan Qiskit vir navorsing en toepassingsontwikkeling gebruik, want dit kom met 'n volledige versameling kwantumhekke en 'n reeks voorafgeboude stroombane.
- Jy kan Qiskit Runtime gebruik om kwantumtoepassings op wolkgebaseerde SVE's, QPU's en GPU's te koördineer, asook om aktiwiteite op werklike kwantumverwerkers uit te voer en te skeduleer.
- Die transpiler skakel Qiskit-kode om in 'n doeltreffende stroombaan deur gebruik te maak van die inheemse hekstel van die agterkant, wat gebruikers in staat stel om vir enige kwantumverwerker of argitektuur met minimum insette te ontwerp.
Gevolgtrekking
Om op te som, kwantumrekenaars kan vinnig binne 'n kort tydjie deurdring tot vandag se enkripsietegnieke, terwyl die grootste superrekenaar wat nou toeganklik is, jare neem.
Ten spyte van die feit dat kwantumrekenaars in staat sal wees om baie van vandag se enkripsieskemas te kraak, word verwag dat hulle hackbestande alternatiewe sal ontwikkel. Kwantumrekenaars is fantasties om optimaliseringskwessies aan te pak.
Lewer Kommentaar