يتغير العالم بسرعة أكبر من أي وقت مضى بسبب التغيير الرقمي.
مع الظهور الوشيك لموجة جديدة من التكنولوجيا قادرة على تغيير النماذج الحالية بشكل جذري بسرعة وقوة مذهلتين: الحوسبة الكمومية ، سيصبح فهم الأفكار الأساسية للعصر الرقمي أكثر أهمية.
تستخدم تقنية خارقة تسمى الحوسبة الكمومية فيزياء الكم لحل المشكلات التي تقع خارج نطاق أجهزة الكمبيوتر التقليدية.
تُظهر مبادئ نظرية الكم كيف تتصرف المادة والطاقة على المقاييس الذرية ودون الذرية ، وتعد Qiskit من IBM مجموعة مفتوحة المصدر لتطوير البرمجيات الكمومية تساعد في إنشاء أنظمة الحوسبة الكمومية.
تسعى هذه المقالة إلى شرح ذلك وتزويدك بنظرة عامة على الحوسبة الكمومية.
سنشرح لقرائنا بمساعدة الحوسبة الكمومية مفتوحة المصدر SDK، بمعنى آخر. Qiskit ودعهم يستكشفون استخدام مفكرة Jupyter مستضاف في IBM Quantum Lab.
ما هي الحوسبة الكمومية؟
الاحصاء الكمية هو فرع من فروع علوم الكمبيوتر يركز على تطوير تكنولوجيا الكمبيوتر باستخدام أفكار من نظرية الكم.
إنها تستفيد من السعة الاستثنائية للجسيمات دون الذرية لتتواجد في وقت واحد في العديد من الحالات ، مثل 0 و 1.
إنهم قادرون على معالجة بيانات أكثر بكثير من أجهزة الكمبيوتر العادية.
في عمليات الحوسبة الكمومية ، يتكون الكيوبت باستخدام الحالة الكمومية للكائن. الأجزاء الأساسية من المعلومات في الحوسبة الكمومية هي الكيوبتات.
يؤدون نفس وظيفة البتات في الحوسبة التقليدية في الحوسبة الكمومية ، لكنهم يتصرفون بشكل مختلف تمامًا. الحوسبة الكمومية هي مجال ظهر في الثمانينيات.
ثم تم اكتشاف أن الخوارزميات الكمومية كانت أكثر فاعلية في القيام ببعض مهام الكمبيوتر من نظيراتها التقليدية.
التراكب والتشابك ، مفهومان من فيزياء الكم ، هما الأسس التي تقوم عليها هذه الحواسيب الفائقة.
بالمقارنة مع أجهزة الكمبيوتر التقليدية ، يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية حاليًا أداء مهام ذات حجم أسرع مع استهلاك قدر كبير من الطاقة أقل.
يجب علينا المضي قدمًا في تشغيل أجهزة الكمبيوتر الكمومية لفهمها بشكل كامل. هيا لنبدأ الان.
كيف حقا يعمل الكمبيوتر الكمومي؟
مقارنة بأجهزة الكمبيوتر التقليدية التي اعتدنا عليها ، تتعامل أجهزة الكمبيوتر الكمومية مع حل المشكلات بشكل مختلف. بالنسبة لبعض المهام ، تُفضل أجهزة الكمبيوتر الكمومية على الأجهزة التقليدية بعدة طرق.
يُعتقد أن قدرتها على الوجود في العديد من الدول في وقت واحد هي السبب. من ناحية أخرى ، يمكن أن تكون أجهزة الكمبيوتر التقليدية في حالة واحدة فقط في وقت واحد.
هناك ثلاثة مفاهيم أساسية يجب أن تفهمها لفهم كيفية عمل أجهزة الكمبيوتر الكمومية:
- تراكب.
- تشابك.
- التشوش.
تراكب
البتات هي المكونات الأساسية لأجهزة الكمبيوتر التقليدية. البتات الكمومية ، أو الكيوبات ، هي الوحدات الأساسية لأجهزة الكمبيوتر الكمومية.
في الأساس ، تعمل البتات الكمومية بشكل مختلف. البت الثنائي ، الذي يُعرف أحيانًا بالبت التقليدي ، هو مفتاح يمكن أن يكون إما 0 أو 1.
نسترجع الحالة الحالية للبت عندما نقيسها. Qubits استثناء لهذا. يمكن مقارنة Qubits بالسهام التي تشير إلى ثلاثة أبعاد.
هم في شروط 0 إذا كانوا يشيرون إلى الأعلى. هم في الحالة 1 إذا كانوا يشيرون إلى أسفل. وينطبق الشيء نفسه على البتات الكلاسيكية.
ومع ذلك ، يمكنهم أيضًا اختيار أن يكونوا في حالة تراكب.
يكون السهم في الحالة التي يشير فيها إلى أي اتجاه آخر. ينتج عن تراكب 0 و 1 هذه الحالة. سيظل Qubit ينتج إما 1 أو 0 كنتيجة عند قياسه.
ومع ذلك ، فإن اتجاه السهم يحدد الاحتمالية ذات الصلة.
من المرجح أن تتلقى 1 إذا كان السهم يشير بشكل أساسي إلى الأسفل و 0 إذا كان يشير بشكل أساسي إلى الأعلى.
سيكون لديك فرصة 50٪ للفوز لكل منهما إذا كان السهم في المنتصف. باختصار ، هذا هو التراكب.
تشابك
البتات الموجودة في الكمبيوتر التقليدي مستقلة عن بعضها البعض. لا تؤثر حالة البتة الواحدة على حالة البتة الأخرى.
يمكن أن تتشابك الكيوبتات في أجهزة الكمبيوتر الكمومية مع بعضها البعض. هذا يعني أنهم يندمجون في حالة كمية واحدة كبيرة.
للتوضيح ، ضع في اعتبارك اثنين من الكيوبتات الموجودة في حالات تراكب مختلفة ولكن لم يتم تشابكهما بعد. في هذا الوقت ، لا يعتمد احتمالهم على بعضهم البعض.
عندما نربط بينهما ، يجب أن نتجاهل تلك الاحتمالات المستقلة ونحدد احتمالات جميع الحالات البديلة التي يمكننا الهروب منها ، وهي 00 و 01 و 10 و 11.
يتغير توزيع الاحتمالات للنظام بأكمله إذا تم تغيير اتجاه السهم على كيوبت واحد لأن الكيوبتات متشابكة.
فقد استقلال الكيوبتات عن بعضها البعض. كل واحد منهم هو مكون من نفس الحالة ذات الحجم. بغض النظر عن عدد الكيوبتات التي لديك ، فلا يزال هذا هو الحال.
هناك مجموعة محتملة من حالات 2n لجهاز كمبيوتر كمي مع n كيوبت.
لديك توزيع احتمالي عبر حالتين ، على سبيل المثال ، من أجل كيوبت واحد. لديك توزيع احتمالي عبر أربع حالات لـ XNUMX كيوبت ، وما إلى ذلك. الفرق الرئيسي بين أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية والكمية هو هذا.
يمكنك وضع أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية في أي حالة تختارها ، ولكن واحدة فقط في كل مرة. يمكن أن توجد كل هذه الحالات بشكل متزامن على أجهزة الكمبيوتر الكمومية كتراكب.
كيف يمكن للكمبيوتر أن يستفيد من التواجد في كل تلك الدول في وقت واحد؟ يدخل آخر عنصر من عناصر التداخل في هذه المرحلة.
تدخل
يمكن استخدام دالة الموجة الكمومية لوصف حالة الكيوبت.
يتم توفير الوصف الرياضي الأساسي لكل شيء في فيزياء الكم من خلال الدوال الموجية.
عندما تتشابك العديد من الكيوبتات ، يتم دمج وظائف الموجة الفردية الخاصة بها معًا لتشكيل دالة موجة واحدة تصف الحالة العامة للكمبيوتر الكمومي.
التداخل هو نتيجة إضافة هذه الوظائف الموجية معًا. عندما يتم إضافة الأمواج معًا ، فإنها قد تتفاعل بشكل بنّاء وتتحد لتكوين موجة أكبر ، تمامًا كما تفعل تموجات الماء.
يمكنهم أيضًا التفاعل بشكل مدمر لمواجهة بعضهم البعض. يتم تحديد الاحتمال المتنوع للحالات المختلفة من خلال دالة الموجة الكلية للكمبيوتر الكمومي.
يمكننا تغيير احتمالية ظهور حالات معينة عندما نقيس الكمبيوتر الكمومي عن طريق تغيير حالات الكيوبتات المختلفة.
على الرغم من أن الكمبيوتر الكمومي يمكن أن يوجد في عدة حالات تراكب في وقت واحد ، إلا أن القياسات تكشف فقط عن حالة واحدة من تلك الحالات.
لذلك ، أثناء استخدام الكمبيوتر الكمومي لإكمال مهمة حسابية ، هناك حاجة إلى التداخل البناء لزيادة احتمالية تلقي الإجابة الصحيحة والتداخل المدمر لتقليل احتمالية تلقي إجابة غير صحيحة.
الآن ، لنبدأ مع Qiskit.
ما هي تفاصيل كيسكيت?
Qiskit هو إطار برمجي ممول من شركة IBM مصمم لتسهيل دخول أي شخص إلى مجال الحوسبة الكمومية.
نظرًا لصعوبة الحصول على أجهزة الكمبيوتر الكمومية ، يمكنك الحصول على واحد من خلال موفر السحابة ، مثل IBM ، باستخدام مربع أدوات Qiskit الخاص بهم.
إنه متاح مجانًا ، وجميع التعليمات البرمجية الخاصة به المصدر المفتوح.
هناك كتاب مدرسي عبر الإنترنت يعلمك كل أساسيات فيزياء الكم ، وهو أمر مفيد جدًا لمن ليسوا على دراية بالموضوع. تُستخدم لغة Python لتطوير مجموعة أدوات Qiskit.
لذلك ، إذا كنت معتادًا على لغة برمجة Python ، فستتعرف على الكثير من التعليمات البرمجية.
إطار البرنامج مناسب لأولئك الذين يرغبون في ذلك تعرف على الحوسبة الكمومية مع اكتساب الخبرة العملية أيضًا.
أهم جانب أساسي في Qiskit هو أنها تعمل على مرحلتين. إحدى الخطوات هي مرحلة البناء ، حيث نقوم بإنشاء العديد من الدوائر الكمية ونستخدم تلك الدوائر لحل المشكلة.
بعد ذلك ، بعد الانتهاء من مرحلة البناء أو الوصول إلى الحل ، ننتقل إلى المرحلة التالية ، والتي تُعرف بمرحلة التنفيذ ، والتي نحاول فيها تشغيل بنائنا أو حلنا في مختلف الخلفيات (الخلفية متجه الحالة ، الواجهة الخلفية الأحادية ، المفتوحة ASM backend) ، وبعد اكتمال التشغيل ، نقوم بمعالجة البيانات الموجودة في الإنشاء للحصول على الإخراج المطلوب.
الابتداء مع Qiskit
على الكمبيوتر الشخصي الخاص بك أو Jupyter Notebook الذي تستضيفه شركة IBM ، يمكنك تثبيته محليًا. اكتب الكود التالي للتثبيت محليًا على جهاز كمبيوتر يعمل بنظام Windows:
نحتاج إلى التسجيل هنا من أجل الوصول إلى رمز API الذي يمكننا من استخدام الأجهزة الكمومية لشركة IBM ، ومن ثم يمكننا البدء في العمل مع موقع الشركة على الويب. يمكنك تخيل القيام بذلك باستخدام دفتر Jupyter المثبت من Qiskit والذي يعمل عبر الإنترنت.
يمكنك الوصول إليه عن طريق تحديد ملف التعريف الخاص بك من القائمة الموجودة في الزاوية العلوية اليمنى من الصفحة ، ثم تحديد معلومات الحساب. يمكنك العثور على رمز API الخاص بك ضمن قسم الرموز المميزة لواجهة برمجة التطبيقات في شكل ***. يتم نسخه ثم إدخاله في الكود التالي:
بمجرد تنفيذ هذا الرمز ، سيتم حفظ رمز API الخاص بك على جهاز الكمبيوتر الخاص بك ، مما يتيح لك استخدام أجهزة IBM الكمومية. أدخل ما يلي لتحديد ما إذا كان لديك حق الوصول إلى مثل هذا الجهاز:
إذا تم تشغيل الكود المذكور أعلاه ، فيجب أن تكون قادرًا على تشغيل الكود ليس فقط على جهاز الكمبيوتر الخاص بك ولكن أيضًا عن طريق إرسال الدوائر الكمومية المضمنة إلى أجهزة IBM الكمومية وتلقي النتائج.
لذلك ، باستخدام مكتبة الدوائر ، يمكننا البدء في تطوير أول خوارزمية كمومية. نبدأ باستيراد التبعيات الأساسية من Qiskit إلى مشروعنا.
نقوم بعد ذلك ببناء سجل كمي مكون من XNUMX كيوبت وسجل تقليدي ثنائي البتات.
إذن ، لدينا الآن كلا من السجل الكلاسيكي وسجل الكم. باستخدام هذين ، يمكننا بناء الدائرة ، وإذا كنت ترغب في أي وقت خلال تعديل الدائرة في رسم شكل الدائرة الكمومية ، فاكتب الكود التالي:
يمكننا أن نرى من الصورة أن الدائرة تتكون من بتتين كميتين وبتتين تقليديتين.
كما هي ، هذه الدائرة تفتقر إلى البوابات ، مما يجعلها غير ممتعة. لنقم الآن ببناء الدائرة باستخدام البوابات الكمومية. مثل الكلاسيكية بوابات المنطق، بوابات منطقية (و ، أو بوابات) للدوائر الرقمية العادية ، والبوابات الكمومية هي المكونات الأساسية للدوائر الكمومية.
يعد تطبيق بوابة Hadamard على الكيوبت الأول هو الخطوة الأولى في إنشاء التشابك. بعد ذلك ، باستخدام الكود التالي ، سنضيف عملية x ذات تحكم ثنائي كيوبت:
الآن وقد تم استخدام هذين المشغلين لبناء دائرتنا الكمية ، فقد حان الوقت لقياس البتات الكمية (كيوبتات) ، وأخذ تلك القياسات ، وتخزينها في البتات الكلاسيكية. لنقم بإنشاء الكود اللازم لتحقيق ذلك:
الرسم البياني أدناه يصور تخطيط دائرتنا:
يجب بعد ذلك تشغيل الدائرة على جهاز محاكاة كمبيوتر تقليدي. الدائرة قد اكتملت. وفحص نتائج هذا الإعدام.
يتم تخزين المعلومات التي تم الحصول عليها من تنفيذ تلك الدائرة في متغير النتيجة. دعنا نعرض هذه النتائج باستخدام الرسم البياني للرسم البياني.
هذا ما يحدث عندما نشغل دائرة الكم. بالنسبة للأرقام 00 و 11 ، نحصل على احتمالات تبلغ حوالي 50٪. تم بناء دائرة الكمبيوتر الكمومية الأولية الخاصة بك. تهانينا!
تطبيقات الحوسبة الكمية Qiskit
Qiskit للتمويل
تقدم Qiskit Finance مجموعة من الأدوات والتطبيقات التوضيحية. وهي تشمل مترجمين لتحسين المحفظة ، وموردي البيانات للبيانات الفعلية أو العشوائية ، والتطبيقات لتسعير الخيارات المالية المختلفة أو تقييمات مخاطر الائتمان.
طبيعة Qiskit
تطبيقات مثل طي البروتين والهيكل الإلكتروني / vibronic تدعم Qiskit Nature الحسابات لكل من الحالات المثارة والأرضية.
يوفر جميع الأجزاء المطلوبة لربط الرموز الكلاسيكية والتحويل تلقائيًا إلى تمثيلات مختلفة تحتاجها أجهزة الكمبيوتر الكمومية.
تعلم الآلة Qiskit
كمية آلة التعلم يتم توفير الطرق التي تستخدمها لمعالجة العديد من المشكلات ، مثل الانحدار والتصنيف ، من خلال Qiskit Machine Learning وكذلك نواة الكم الأساسية والشبكات العصبية الكمية (QNNs) باعتبارها لبنات بناء.
كما أنه يتيح اتصال QNNs بـ PyTorch بغرض دمج العناصر الكمية في العمليات الكلاسيكية.
تحسين Qiskit
تقدم Qiskit Optimization مجموعة كاملة من خدمات التحسين ، بما في ذلك النمذجة عالية المستوى لقضايا التحسين ، والترجمة الآلية للمشاكل إلى مختلف العروض المطلوبة ، ومجموعة من طرق التحسين الكمي البسيطة.
وفي الختام
في الختام ، في حين أن أسرع كمبيوتر عملاق متاح الآن يستغرق سنوات ، يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية اختراق طرق التشفير الحالية بسرعة.
على الرغم من حقيقة أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية ستكون قادرة على كسر العديد من تقنيات التشفير المستخدمة اليوم ، فمن المتوقع أنها ستخلق بدائل مقاومة للاختراق.
تحسين المشاكل هو قوة أجهزة الكمبيوتر الكمومية. لمزيد من التفاصيل ، يرجى زيارة Qiskit GitHub جيثب:.
اترك تعليق