جدول المحتويات[يخفي][يعرض]
الحوسبة الكمومية هي تقنية جديدة تستخدم فيزياء الكم لمعالجة القضايا التي تتجاوز قدرات أجهزة الكمبيوتر التقليدية.
تحاول العديد من الشركات الآن إتاحة أجهزة كمومية فعلية لعشرات الآلاف من المطورين ، وهي أداة كان العلماء يحلمون بها منذ حوالي ثلاثة عقود فقط.
نتيجة لذلك ، ينشر مهندسونا بشكل متكرر أجهزة كمبيوتر كمومية فائقة التوصيل قوية بشكل متزايد ، مما يجعلنا أقرب إلى سرعة الحوسبة الكمومية وقدرتها اللازمة لتغيير العالم.
في هذا المنشور ، سنلقي نظرة فاحصة على الاحصاء الكمية والأدوات والأطر التي تتوافق معها ، بالإضافة إلى ما ستكون عليه في عام 2022.
ما هي الحوسبة الكمومية؟
هذه الحواسيب العملاقة مبنية على مبادئ التراكب والتشابك ، وهما جانبان من جوانب فيزياء الكم. يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية الآن أداء المهام بمعدلات أسرع من أجهزة الكمبيوتر التقليدية مع استخدام طاقة أقل بكثير.
في الثمانينيات ، ظهر مجال الحوسبة الكمومية. ثم تم الكشف عن أن الخوارزميات الكمومية كانت أكثر كفاءة من نظيراتها التقليدية في حل بعض مهام الكمبيوتر.
الحوسبة الكمومية هي أحد فروع علوم الكمبيوتر التي تركز على تطوير تكنولوجيا الكمبيوتر بناءً على مفاهيم نظرية الكم. إنه يستفيد من القدرة غير العادية للجسيمات دون الذرية على الوجود في عدة حالات في وقت واحد ، مثل 0 و 1. فهي قادرة على معالجة بيانات أكثر بكثير من أجهزة الكمبيوتر العادية.
تُستخدم الحالة الكمومية لعنصر ما لإنشاء كيوبت في عمليات الحوسبة الكمومية. Qubits هي وحدات البيانات الأساسية للحوسبة الكمومية. في الحوسبة الكمومية ، يقومون بنفس الوظيفة التي تؤديها وحدات البت في الحوسبة العادية ، لكنهم يتصرفون بشكل مختلف تمامًا.
البتات التقليدية ثنائية ويمكن أن تحافظ فقط على موضع 0 أو 1 ، بينما يمكن أن تشتمل البتات الكمومية على تراكب لجميع الحالات الممكنة.
أفضل أطر الحوسبة الكمومية
1. سيرك
تم إنشاء Cirq بواسطة فريق Quantum AI من Google. يتم استخدامه لتصميم وتحسين الدوائر الكمومية التي يتم اختبارها بعد ذلك على أجهزة الكمبيوتر والمحاكاة الكمومية. يعد Cirq رائعًا لأنه يقدم محاكيات تطوير مشابهة تمامًا لتلك التي نراها في الحياة الواقعية.
هذا يعني أن المكتبة تعمل في طريقها من خلال تفاصيل الأجهزة المحيطة بـ NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum) حتى نتمكن من التأكد من أنه يمكن تشغيل الخوارزمية أو الدائرة على كمبيوتر كمي حقيقي بعد انتهائها.
نتيجة لذلك ، من المحتمل أن يتم استغلالها لإنشاء دوائر كمية قابلة للتكيف وقابلة للنشر. كما أن لديها ميزات التشغيل البيني. برنامج يقوم باستيراد وتصدير الدوائر الكمومية والمحاكاة ، على سبيل المثال.
إطار عمل لبرمجة الحواسيب الكمومية مفتوحة المصدر. سيرك هو أ بايثون حزمة البرامج التي تتيح لك إنشاء الدوائر الكمومية ومعالجتها وتحسينها قبل تنفيذها على أجهزة الكمبيوتر والمحاكاة الكمومية.
Cirq هو تجريد فعال للتعامل مع أجهزة الكمبيوتر الكمومية ذات الحجم المتوسط الصاخبة اليوم ، حيث تعد متطلبات الأجهزة ضرورية لتحقيق نتائج متطورة.
المميزات
- من البوابات التي تعمل على الكيوبتات ، يمكنك تعلم كيفية تصميم الدوائر الكمية. تعرف على ماهية اللحظة وكيف يمكن أن تساعدك أساليب الإدخال المختلفة في بناء دائرتك المثالية. تعرف على كيفية تقطيع الدوائر وتقطيعها من أجل إنشاء دوائر جديدة ومحسنة.
- القيود التكنولوجية لها تأثير كبير على ما إذا كان يمكن تنفيذ الدائرة على الأجهزة المعاصرة أم لا. تعرف على كيفية برمجة خدمة الحوسبة الكمية من Google وكيفية إنشاء أجهزة لمعالجة هذه القيود.
- تحتوي كل من وظائف الموجة ومصفوفات الكثافة على أجهزة محاكاة مدمجة في Cirq. يمكن استخدام محاكاة مونت كارلو أو مصفوفة الكثافة الكاملة لمعالجة القنوات الكمومية المزعجة.
- لتنفيذ الاختبارات على معالجات Google الكمومية ، يتعاون Cirq مع Quantum Computing Service.
2. مشروع Q
أنشأت ETH Zurich ، ProjectQ ، وهي بنية برامج حوسبة كمومية مفتوحة المصدر. يوفر قويًا ومباشرًا بناء الجملة للمستخدمين لإنشاء تطبيقات كمية في Python. يمكن لـ ProjectQ بعد ذلك تحويل هذه البرامج النصية إلى أي شكل من أشكال الخلفية ، سواء كانت محاكيًا تقليديًا للكمبيوتر أو معالجًا كميًا.
يمكن لـ ProjectQ بعد ذلك تحويل هذه التطبيقات إلى أي نوع من النهايات الخلفية ، مثل جهاز محاكاة الكمبيوتر الكلاسيكي أو المعالج الكمي ، مثل منصة IBM Quantum Experience.
المميزات
- تكنولوجيا المعلومات هي على مستوى عال لغة برمجة لبرامج الكم.
- يحتوي على مترجم معياري وقابل للتكيف.
- كما أنه يوفر عددًا من الخلفيات الخلفية للأجهزة والبرامج.
- مكتبة الكمبيوتر الكمومي (FermiLib) لحل مشاكل الفرميونات
- يمكن استخدام شريحة IBM Quantum Experience ، وأجهزة AQT ، و AWS Braket ، والأجهزة التي توفر خدمة IonQ لتشغيل الخوارزميات الكمية.
- في مستوى أعلى من التجريد ، يمكن محاكاة البرامج الكمية (على سبيل المثال ، محاكاة عمل الوحوش الكبيرة بدلاً من تجميعها في بوابات منخفضة المستوى)
- على أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية ، يمكن محاكاة البرامج الكمومية.
3. Tensoflow الكم
إطار بايثون TensorFlow Quantum (TFQ) مخصص للكم آلة التعلم. TFQ هو إطار عمل لتطبيق TensorFlow يسمح للخوارزمية الكمومية وباحثي التعلم الآلي باستخدام أطر عمل الحوسبة الكمية من Google مباشرة من TensorFlow.
TensorFlow Quantum هو برنامج يركز على البيانات الكمية وإنشاء نماذج هجينة كلاسيكية الكم. فهو يجمع بين تقنيات الحوسبة الكمومية المصممة من قبل Cirq والمنطق مع TensorFlow APIs ، بالإضافة إلى محاكيات الدارات الكمومية عالية الأداء.
يمكن استخدام إطار عمل TFQ لتشغيل كل من النماذج التقليدية والهجينة ، مثل Quantum CNN (QCNN). نتيجة لذلك ، يمكن استخدام TFQ لأي مشكلة كان من المستحيل الإجابة عليها في السابق باستخدام الأساليب التقليدية. للإجابة على بعض مشاكل العالم الحقيقي ، ابدأ بـ TFQ لإنشاء نماذج كمومية أو نماذج هجينة كلاسيكية.
المميزات
- يمكن للباحثين استخدام TFQ لإنشاء موترات باستخدام مجموعات البيانات الكمومية ، والنماذج الكمومية ، ومعلمات التحكم التقليدية في شبكة حسابية واحدة.
- تُستخدم الموترات لتخزين البيانات الكمومية (مجموعة أرقام متعددة الأبعاد). يوصف كل موتر من البيانات الكمومية بدائرة Cirq الكمومية التي تخلق بيانات كمومية أثناء الطيران.
- يمكن للباحث استخدام Cirq لعمل نموذج أولي للكم الشبكة العصبية التي سيتم تضمينها في الرسم البياني لحساب TensorFlow لاحقًا.
- تعد القدرة على تدريب وتنفيذ العديد من الدوائر الكمية بشكل متزامن ميزة رئيسية لـ TensorFlow Quantum.
4. بيرسفيل
بيرسيفال هو إطار مفتوح المصدر لبرمجة أجهزة الكمبيوتر الكمومية الضوئية التي طورتها شركة بيرسيفال ، وهي شركة فرنسية تركز على بناء جيل جديد من أجهزة الكمبيوتر الكمومية على أساس معالجة الضوء.
تقدم بيرسيفال أدوات لتكوين الدوائر من مكونات بصرية خطية ، وتحديد مصادر الفوتون الفردي ، ومعالجة حالات فوك ، وتشغيل عمليات المحاكاة الكمية ، وإعادة إنتاج الأوراق التجريبية المنشورة ، وتجربة جيل جديد من الخوارزميات الكمومية من خلال واجهة برمجة تطبيقات بايثون بسيطة موجهة للكائنات.
هدفها هو أن تكون أداة مرافقة لبناء الدوائر الضوئية الكمومية - لمحاكاة تصميمها وتحسينه ، ونمذجة السلوك المثالي والفعلي على حد سواء ، وتقديم واجهة موحدة للتحكم فيها عبر مفهوم الخلفيات.
تم تحسينه للعمل على سطح مكتب محلي ، مع العديد من التحسينات لمجموعات HPC ، ويوفر الوصول إلى الخلفيات المتطورة للمحاكاة العددية والرمزية للخوارزميات الكمومية على الدوائر الضوئية.
يمكنك أيضًا استخدام عدد كبير من المكونات الجاهزة لإنشاء خوارزميات ودوائر بصرية خطية معقدة. يمكن الوصول إلى مكتبة من الخوارزميات المعروفة ، بالإضافة إلى دروس حول كيفية استخدامها.
يمكنك أيضًا استخدام بضعة أسطر من التعليمات البرمجية لتنفيذ التجارب لضبط الخوارزميات والمقارنة بالبيانات التجريبية وإعادة إنشاء المنشورات المنشورة.
المميزات
- هندسة معمارية فريدة من نوعها مخصصة بالكامل للبصريات الخطية والحوسبة الكمومية الضوئية
- المشروع عبارة عن مشروع مفتوح المصدر بهيكل معياري يرحب بمساهمات المجتمع.
- باستخدام مكتبة ضخمة من المكونات الجاهزة ، قم بإنشاء خوارزميات ودوائر بصرية خطية معقدة. يمكن الوصول إلى مكتبة من الخوارزميات المعروفة ، بالإضافة إلى دروس حول كيفية استخدامها.
- قم بتجربة الخوارزميات لضبطها ، ومقارنتها بالبيانات التجريبية ، ونسخ المنشورات الموجودة في بضعة أسطر من التعليمات البرمجية.
- لمحاكاة الخوارزميات الكمومية على الدوائر الضوئية ، استخدم الخلفيات المتطورة. تم تصميم Perceval للتشغيل على سطح مكتب محلي من حيث الأداء الرقمي والرمزي ، مع العديد من التحسينات لمجموعات HPC.
5. كيسكيت
نحن نعلم أنه إذا كنا نتحدث عن تكنولوجيا الجيل التالي ، فإن شركة IBM سيكون لديها ما تقدمه. إنه كذلك بالتأكيد. كيس كيت هي منصة مفتوحة المصدر لتطوير البرمجيات الكمومية.
Qiskit هو إطار عمل برمجي ممول من شركة IBM يسهل على المستخدمين التعرف عليه الاحصاء الكمية. نظرًا لصعوبة الحصول على أجهزة الكمبيوتر الكمومية ، يمكنك استخدام مزود خدمة سحابية مثل مجموعة أدوات Qiskit من شركة IBM للحصول على إمكانية الوصول إلى أحدها.
إنه مجاني تمامًا للاستخدام ، وكل الكود متاح المصدر المفتوح. يوجد كتاب مدرسي على الإنترنت يعلمك جميع أساسيات فيزياء الكم ، وهو مفيد جدًا للمبتدئين الذين ليسوا على دراية بالموضوع.
يمكن استخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية على مستوى النبضات والدوائر والوحدات النمطية للتطبيق.
المميزات
- يمكن للمستخدمين من مختلف المستويات استخدام Qiskit للبحث وتطوير التطبيقات لأنه يأتي مع مجموعة كاملة من البوابات الكمومية ومجموعة من الدوائر مسبقة الصنع.
- يمكنك استخدام Qiskit Runtime لتنسيق التطبيقات الكمية على وحدات المعالجة المركزية (CPU) المستندة إلى مجموعة النظراء ووحدات QPU ووحدات معالجة الرسومات ، بالإضافة إلى تشغيل وجدولة الأنشطة على معالجات الكم الفعلية.
- يقوم المرشح بتحويل كود Qiskit إلى دائرة فعالة باستخدام مجموعة البوابة الأصلية للواجهة الخلفية ، مما يسمح للمستخدمين بتصميم أي معالج كمي أو معمارية بأقل قدر من المدخلات.
وفي الختام
للتلخيص ، يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية أن تخترق تقنيات التشفير الحالية بسرعة في فترة زمنية قصيرة ، في حين أن أعظم كمبيوتر عملاق يمكن الوصول إليه الآن يستغرق سنوات.
على الرغم من حقيقة أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية ستكون قادرة على اختراق العديد من أنظمة التشفير الحالية ، فمن المتوقع أن تقوم بتطوير بدائل مقاومة للقرصنة. تعتبر أجهزة الكمبيوتر الكمومية رائعة في معالجة مشكلات التحسين.
اترك تعليق