Rəqəmsal dəyişikliyə görə dünya əvvəlkindən daha sürətlə dəyişir.
Mövcud paradiqmaları heyrətamiz sürət və güclə kəskin şəkildə dəyişdirə bilən başqa bir yeni texnologiya dalğasının gözlənilən gəlişi ilə: kvant hesablama, rəqəmsal dövrün əsas ideyalarını başa düşmək daha da vacib olacaq.
Kvant hesablama adlanan sıçrayış texnikası adi kompüterlərin əhatə dairəsindən kənar problemləri həll etmək üçün kvant fizikasından istifadə edir.
Kvant nəzəriyyəsi prinsipləri maddənin və enerjinin atom və atomaltı miqyasda necə davrandığını göstərir və IBM-in Qiskit kvant hesablama sistemlərinin yaradılmasına kömək edən açıq mənbəli kvant proqram təminatı inkişaf dəstidir.
Bu məqalə bunu izah etməyə və kvant hesablamalarına ümumi baxış təqdim etməyə çalışır.
Oxucularımıza açıq mənbəli kvant hesablamasının köməyi ilə izah edəcəyik SDK, yəni. Qiskit və istifadə edərək araşdırmaq icazə verin Jupyter noutbukları IBM Quantum Lab-da keçirilir.
Kvant Hesablama nədir?
Kvant hesablama kvant nəzəriyyəsinin ideyalarından istifadə edərək kompüter texnologiyasının inkişafına diqqət yetirən kompüter elminin bir sahəsidir.
O, 0 və 1 kimi bir çox ştatlarda eyni vaxtda mövcud olmaq üçün atomaltı hissəciklərin müstəsna imkanlarından istifadə edir.
Onlar adi kompüterlərdən daha çox məlumat emal edə bilirlər.
Kvant hesablama proseslərində bir obyektin kvant vəziyyətindən istifadə edərək bir kubit hazırlanır. Kvant hesablamasında əsas məlumat parçaları kubitlərdir.
Onlar kvant hesablamasında adi hesablamada bitlərlə eyni funksiyanı yerinə yetirirlər, lakin tamamilə fərqli fəaliyyət göstərirlər. Kvant hesablamaları 1980-ci illərdə ortaya çıxan bir sahədir.
Sonra məlum oldu ki, kvant alqoritmləri bəzi kompüter tapşırıqlarını yerinə yetirməkdə klassik həmkarlarından daha effektivdir.
Kvant fizikasından iki anlayış olan superpozisiya və dolaşıqlıq bu superkompüterlərin əsaslandığı təməllərdir.
Adi kompüterlərlə müqayisədə, kvant kompüterləri hal-hazırda daha az enerji sərf etməklə böyük ölçüdə olan işləri daha tez yerinə yetirə bilir.
Onu tam dərk etmək üçün kvant kompüterlərinin işinə davam etməliyik. İndi başlayaq.
Kvant kompüteri həqiqətən necə işləyir?
Öyrəndiyimiz ənənəvi kompüterlərlə müqayisədə kvant kompüterləri problemin həllinə fərqli yanaşır. Bəzi tapşırıqlar üçün kvant kompüterləri bir sıra yollarla ənənəvi kompüterlərə üstünlük verilir.
Səbəb onların eyni anda çoxsaylı ştatlarda mövcud olma qabiliyyətinin olduğu düşünülür. Digər tərəfdən, adi kompüterlər bir anda yalnız bir vəziyyətdə ola bilər.
Kvant kompüterlərinin necə işlədiyini başa düşmək üçün üç əsas anlayışı anlamaq lazımdır:
- Superpozisiya.
- Dolaşma.
- Müdaxilə.
Superpozisiya
Bitlər ənənəvi kompüterlərin əsas komponentləridir. Kvant bitləri və ya Qubitlər kvant kompüterlərinin əsas vahidləridir.
Prinsipcə, kvant bitləri fərqli fəaliyyət göstərir. Bəzən ənənəvi bit kimi tanınan ikili bit 0 və ya 1 ola bilən açardır.
Bitin cari vəziyyətini ölçdükdə geri alırıq. Qubitlər bunun istisnasıdır. Qubitləri üç ölçüdə göstərən oxlarla müqayisə etmək olar.
Yuxarı işarə edərlərsə, 0 vəziyyətindədirlər. Aşağıya doğru işarə edərlərsə, 1-ci vəziyyətdədirlər. Eyni şey klassik bitlərə də aiddir.
Bununla belə, onlar superpozisiya vəziyyətində olmağı da seçə bilərlər.
Ox hər hansı başqa istiqaməti göstərdiyi vəziyyətdədir. 0 və 1-in superpozisiyası bu vəziyyətdə nəticələnir. Qubit ölçüldükdə nəticə olaraq yenə də ya 1, ya da 0 verəcək.
Bununla belə, oxun istiqaməti müvafiq olan ehtimalı müəyyən edir.
Əgər ox əsasən aşağıya baxırsa 1, yuxarıya baxırsa 0 almağınız ehtimalı daha yüksəkdir.
Ox mərkəzdə olarsa, hər biri üçün 50% qazanmaq şansınız olacaq. Bir sözlə, bu superpozisiyadır.
Qarışıqlıq
Ənənəvi kompüterdəki bitlər bir-birindən müstəqildir. Bir bitin vəziyyəti digər bitin vəziyyətinə heç bir aidiyyəti yoxdur.
Kvant kompüterlərindəki kubitlər bir-birinə qarışa bilər. Bu, onların vahid böyük kvant vəziyyətində birləşməsini nəzərdə tutur.
İllüstrasiya üçün müxtəlif superpozisiya vəziyyətlərində olan, lakin hələ bir-birinə qarışmamış iki qubiti nəzərdən keçirək. Bu zaman onların ehtimalı bir-birindən asılı deyil.
Onları bir-birinə bağladıqda, biz bu müstəqil ehtimalları atmalı və qaça biləcəyimiz bütün alternativ vəziyyətlərin, yəni 00, 01, 10 və 11-in ehtimallarını təyin etməliyik.
Qubitlər bir-birinə qarışdığı üçün bir qubitdəki oxun istiqaməti dəyişdirilərsə, bütün sistemin ehtimal paylanması dəyişdirilir.
Qubitlərin bir-birindən müstəqilliyi itirildi. Onların hər biri eyni ölçülü dövlətin tərkib hissəsidir. Nə qədər qubitiniz olursa olsun, bu hələ də belədir.
N qubitli kvant kompüteri üçün 2n vəziyyətin mümkün kombinasiyası mövcuddur.
Məsələn, bir qubit üçün iki ştat üzrə ehtimal paylamanız var. İki kubit üçün dörd ştat üzrə ehtimal paylanması və s. var. Klassik və kvant kompüterləri arasında əsas fərq budur.
Klassik kompüterləri istədiyiniz vəziyyətdə qoya bilərsiniz, ancaq bir dəfə. Bütün bu vəziyyətlər superpozisiya kimi kvant kompüterlərində eyni vaxtda mövcud ola bilər.
Bütün bu dövlətlərdə bir anda olmaqdan kompüter necə faydalana bilər? Bu nöqtədə müdaxilənin sonuncu elementi daxil olur.
Müdaxilə
Qubitin vəziyyətini təsvir etmək üçün kvant dalğa funksiyasından istifadə edilə bilər.
Kvant fizikasında hər şeyin fundamental riyazi təsviri dalğa funksiyaları ilə təmin edilir.
Bir çox qubitlər bir-birinə qarışdıqda, onların fərdi dalğa funksiyaları kvant kompüterinin ümumi vəziyyətini təsvir edən vahid dalğa funksiyası yaratmaq üçün birləşir.
Müdaxilə bu dalğa funksiyalarının bir araya toplanmasının nəticəsidir. Dalğalar bir-birinə əlavə edildikdə, onlar konstruktiv şəkildə qarşılıqlı təsir göstərə və birləşərək, su dalğaları kimi daha böyük dalğa yarada bilərlər.
Onlar həmçinin bir-birlərinə qarşı dağıdıcı təsir göstərə bilərlər. Müxtəlif vəziyyətlərin müxtəlif ehtimalı kvant kompüterinin ümumi dalğa funksiyası ilə müəyyən edilir.
Müxtəlif kubitlərin vəziyyətlərini dəyişdirərək kvant kompüterini ölçən zaman müəyyən vəziyyətlərin meydana çıxma ehtimalını dəyişə bilərik.
Kvant kompüteri eyni anda bir neçə vəziyyətin superpozisiyasında mövcud ola bilsə də, ölçmələr bu vəziyyətlərdən yalnız birini aşkar edir.
Buna görə də, hesablama işini başa çatdırmaq üçün kvant kompüterindən istifadə edərkən, düzgün cavabın alınması ehtimalını artırmaq üçün konstruktiv müdaxilə və yanlış cavabın alınması ehtimalını azaltmaq üçün dağıdıcı müdaxilə lazımdır.
İndi Qiskit ilə başlayaq.
Nədir Qiskit?
Qiskit hər kəsin kvant hesablama sahəsinə daxil olmasını asanlaşdırmaq üçün nəzərdə tutulmuş IBM tərəfindən maliyyələşdirilən proqram təminatı çərçivəsidir.
Kvant kompüterlərini əldə etmək çətin olduğundan, siz onları Qiskit alətlər qutusundan istifadə edərək IBM kimi bulud provayderi vasitəsilə əldə edə bilərsiniz.
O, pulsuzdur və onun bütün kodu var açıq mənbə.
Bir var onlayn dərslik Bu sizə kvant fizikasının bütün əsaslarını öyrədir, bu mövzu ilə tanış olmayanlar üçün çox faydalıdır. Python Qiskit alət dəstini hazırlamaq üçün istifadə olunur.
Beləliklə, Python proqramlaşdırma dili ilə tanışsınızsa, bir çox kodu tanıyacaqsınız.
Proqram çərçivəsi istəyənlər üçün uyğundur kvant hesablamaları haqqında məlumat əldə edin həm də praktiki təcrübə qazanır.
Qiskitin ən əsas cəhəti onun iki mərhələdə fəaliyyət göstərməsidir. Addımlardan biri konstruksiya mərhələsidir ki, burada bir neçə kvant dövrəsi yaradırıq və problemi həll etmək üçün həmin dövrələrdən istifadə edirik.
Sonra, tikinti mərhələsini tamamladıqdan və ya həll yoluna çatdıqdan sonra, icra mərhələsi kimi tanınan növbəti mərhələyə keçirik, burada quruluşumuzu və ya həllimizi müxtəlif arxa hissələrdə (dövlət vektoru backend, unitar backend, open) işə salmağa çalışırıq. ASM backend) və işləmə tamamlandıqdan sonra biz istədiyiniz nəticə üçün quruluşdakı məlumatları emal edirik.
Qiskit ilə başlayın
Şəxsi kompüterinizdə və ya IBM-in sahib olduğu Jupyter Notebook-da siz onu yerli olaraq quraşdıra bilərsiniz. Windows kompüterində yerli olaraq quraşdırmaq üçün aşağıdakı kodu yazın:
Bizə IBM-in kvant cihazlarından istifadə etməyə imkan verən API işarəsinə daxil olmaq üçün burada qeydiyyatdan keçməliyik və sonra biz şirkətin vebsaytı ilə işə başlaya bilərik. Onlayn işləyən Qiskit-də quraşdırılmış Jupyter Notebook-dan istifadə etməklə bunu təsəvvür edə bilərsiniz.
Siz səhifənin yuxarı sağ küncündə yerləşən menyudan Profilinizi, sonra Hesab məlumatını seçərək ona daxil ola bilərsiniz. Siz API tokeninizi *** şəklində API tokenləri bölməsində tapa bilərsiniz. O, kopyalanır və sonra aşağıdakı koda daxil edilir:
Bu kod icra edildikdən sonra sizin API tokeniniz kompüterinizdə saxlanacaq və sizə IBM-in kvant cihazlarından istifadə etməyə imkan verəcək. Belə bir cihaza girişinizin olub olmadığını müəyyən etmək üçün aşağıdakıları daxil edin:
Əgər yuxarıda qeyd olunan kod işləyirsə, siz kodu təkcə kompüterinizdə deyil, həm də daxili kvant sxemlərini IBM-in kvant cihazlarına göndərərək və nəticələr əldə etməklə işlədə bilməlisiniz.
Beləliklə, sxemlər kitabxanasından istifadə edərək, ilk kvant alqoritmimizi inkişaf etdirməyə başlaya bilərik. Qiskit-dən əsas asılılıqları layihəmizə idxal etməklə başlayırıq.
Sonra iki kubitlik kvant registrini və iki bitlik şərti registr qururuq.
Beləliklə, biz həm klassik, həm də kvant registrini qurmuşuq. Bu ikisindən istifadə edərək dövrəni qura bilərik və əgər dövrənin modifikasiyası zamanı istənilən vaxt kvant dövrəsinin nəyə bənzədiyini eskiz etmək istəyirsinizsə, aşağıdakı kodu yazın:
Şəkildən görə bilərik ki, dövrə iki kvant bitindən və iki klassik bitdən ibarətdir.
Olduğu kimi, bu dövrənin qapıları yoxdur, bu da onu maraqsız edir. İndi kvant qapılarından istifadə edərək dövrəni quraq. Klassik kimi məntiq qapıları (VƏ, OR qapıları) normal rəqəmsal sxemlər üçündür, kvant qapıları kvant dövrələrinin əsas komponentləridir.
Hadamard qapısını birinci kubitə tətbiq etmək dolaşıqlıq yaratmaqda ilk addımdır. Sonra, aşağıdakı kodu istifadə edərək, iki kubitlik idarə olunan x əməliyyatı əlavə edəcəyik:
Bu iki operatordan kvant dövrəmizi qurmaq üçün istifadə edildiyinə görə, kvant bitlərini (qubits) ölçmək, bu ölçmələri götürmək və onları klassik bitlərdə saxlamaq vaxtıdır. Buna nail olmaq üçün lazımi kodu yaradaq:
Aşağıdakı diaqram dövrəmizin sxemini təsvir edir:
Daha sonra dövrə ənənəvi kompüter simulyatorunda işlədilməlidir. Dövrə tamamlandı. Və bu icraatın nəticələrini araşdırın.
Həmin dövrənin icrasından əldə edilən məlumat nəticə dəyişənində saxlanılır. Gəlin bu nəticələri plot histoqramından istifadə edərək göstərək.
Kvant dövrəmizi işlədəndə belə olur. 00 və 11 rəqəmləri üçün təxminən 50% ehtimal alırıq. İlkin kvant kompüter dövrəniz quruldu. Təbrik edirik!
Qiskit Quantum Computing tətbiqləri
Qiskit Maliyyə
Nümayiş alətləri və proqramlar toplusu Qiskit Finance tərəfindən təklif olunur. Bunlara portfelin optimallaşdırılması üçün Ising tərcüməçiləri, faktiki və ya təsadüfi məlumatlar üçün məlumat təchizatçıları və müxtəlif maliyyə seçimləri və ya kredit riskinin qiymətləndirilməsi üçün tətbiqlər daxildir.
Qiskit Təbiət
kimi proqramlar protein qatlanması və elektron/vibronik quruluş həm həyəcanlı, həm də əsas vəziyyətlər üçün hesablamalar Qiskit Nature tərəfindən dəstəklənir.
Klassik kodları birləşdirmək və kvant kompüterləri üçün lazım olan müxtəlif təsvirlərə avtomatik çevirmək üçün lazım olan bütün hissələri təklif edir.
Qiskit Machine Learning
Kvant maşın təlim reqressiya və təsnifat kimi müxtəlif problemləri həll etmək üçün onlardan istifadə edən üsullar Qiskit Machine Learning, həmçinin əsas kvant nüvələri və kvant neyron şəbəkələri (QNN) tərəfindən tikinti blokları kimi təmin edilir.
O, həmçinin kvant elementlərini klassik əməliyyatlara daxil etmək məqsədilə QNN-lərin PyTorch-a qoşulmasına imkan verir.
Qiskit Optimizasiyası
Qiskit Optimization optimallaşdırma məsələlərinin yüksək səviyyəli modelləşdirilməsi, problemlərin müxtəlif lazımi təsvirlərə avtomatlaşdırılmış tərcüməsi və sadə kvant optimallaşdırma üsullarının toplusu daxil olmaqla, optimallaşdırma xidmətlərinin bütün spektrini təklif edir.
Nəticə
Nəticə olaraq, hazırda mövcud olan ən sürətli superkompüter illər tələb etsə də, kvant kompüterləri cari şifrələmə üsullarını sürətlə qıra bilir.
Kvant kompüterlərinin bu gün istifadə edilən bir çox şifrələmə üsullarını sındıra bilməsinə baxmayaraq, onların hackə davamlı əvəzedicilər yaradacağı gözlənilir.
Problemləri optimallaşdırmaq kvant kompüterlərinin gücüdür. Əlavə məlumat üçün Qiskit-ə müraciət edin Github.
Cavab yaz