Дзякуючы лічбавым зменам свет змяняецца хутчэй, чым калі-небудзь раней.
З надыходзячым з'яўленнем яшчэ адной зусім новай хвалі тэхналогій, здольных кардынальна змяніць сучасныя парадыгмы з ашаламляльнай хуткасцю і магутнасцю: квантавыя вылічэнні, разуменне фундаментальных ідэй лічбавай эры стане яшчэ больш важным.
Рэвалюцыйная тэхніка, званая квантавымі вылічэннямі, выкарыстоўвае квантавую фізіку для вырашэння праблем, якія выходзяць за рамкі звычайных камп'ютараў.
Прынцыпы квантавай тэорыі паказваюць, як паводзяць сябе матэрыя і энергія ў атамным і субатамным маштабах, а Qiskit ад IBM - гэта набор для распрацоўкі квантавага праграмнага забеспячэння з адкрытым зыходным кодам, які дапамагае ствараць квантавыя вылічальныя сістэмы.
Гэты артыкул імкнецца растлумачыць гэта і даць вам агляд квантавых вылічэнняў.
Мы растлумачым нашым чытачам з дапамогай квантавых вылічэнняў з адкрытым зыходным кодам SDK, г. зн. Qiskit і дазвольце ім даследаваць выкарыстанне Jupyter Ноўтбукі арганізаваны ў IBM Quantum Lab.
Што такое квантавыя вылічэнні?
Квантовыя вылічэнні гэта галіна інфарматыкі, якая засяроджваецца на развіцці камп'ютэрных тэхналогій з выкарыстаннем ідэй квантавай тэорыі.
Ён выкарыстоўвае выключную здольнасць субатомных часціц адначасова існаваць у многіх станах, такіх як 0 і 1.
Яны здольныя апрацоўваць нашмат больш дадзеных, чым звычайныя кампутары.
У працэсах квантавых вылічэнняў кубіт ствараецца з выкарыстаннем квантавага стану аб'екта. Важнымі часткамі інфармацыі ў квантавых вылічэннях з'яўляюцца кубіты.
Яны выконваюць тую ж функцыю, што і біты ў звычайных вылічэннях у квантавых вылічэннях, але дзейнічаюць зусім інакш. Квантавыя вылічэнні - гэта вобласць, якая з'явілася ў 1980-х гадах.
Потым было выяўлена, што квантавыя алгарытмы больш эфектыўныя пры выкананні некаторых кампутарных задач, чым іх класічныя аналагі.
Суперпазіцыя і заблытанасць, дзве канцэпцыі квантавай фізікі, з'яўляюцца асновай, на якой заснаваны гэтыя суперкампутары.
У параўнанні са звычайнымі кампутарамі, квантавыя кампутары ў цяперашні час могуць выконваць задачы на парадкі хутчэй, спажываючы пры гэтым значна менш энергіі.
Мы павінны працягнуць працу квантавых кампутараў, каб цалкам зразумець гэта. Зараз пачнем.
Як на самай справе працуе квантавы кампутар?
У параўнанні з традыцыйнымі кампутарамі, да якіх мы прывыклі, квантавыя кампутары падыходзяць да вырашэння праблем інакш. Для некаторых задач квантавыя кампутары пераважней традыцыйных па шэрагу спосабаў.
Мяркуецца, што прычынай з'яўляецца іх здольнасць адначасова існаваць у многіх дзяржавах. З іншага боку, звычайныя кампутары могуць адначасова знаходзіцца толькі ў адным стане.
Ёсць тры ключавыя паняцці, якія вы павінны зразумець, каб зразумець, як працуюць квантавыя кампутары:
- Суперпазіцыя.
- Заблытанне.
- Умяшанне.
суперпазіцыя
Біты з'яўляюцца фундаментальнымі кампанентамі традыцыйных кампутараў. Квантавыя біты, або кубіты, з'яўляюцца асноўнымі адзінкамі квантавых кампутараў.
Па сутнасці, квантавыя біты працуюць па-рознаму. Двайковы біт, часам вядомы як традыцыйны біт, уяўляе сабой перамыкач, які можа быць альбо 0, альбо 1.
Мы атрымліваем бягучы стан біта, калі вымяраем яго. Кубіты з'яўляюцца выключэннем з гэтага. Кубіты можна параўнаць са стрэлкамі, якія паказваюць у трох вымярэннях.
Яны знаходзяцца ва ўмовах 0, калі паказваюць уверх. Яны знаходзяцца ў стане 1, калі паказваюць уніз. Тое ж самае і з класічнымі бітамі.
Аднак яны таксама могуць выбраць стан суперпазіцыі.
Стрэлка знаходзіцца ў стане, калі яна паказвае ў любым іншым кірунку. Суперпазіцыя 0 і 1 прыводзіць да гэтага стану. Пры вымярэнні Qubit па-ранейшаму дасць 1 або 0.
Аднак арыентацыя стрэлкі вызначае рэлевантную верагоднасць.
Вы, хутчэй за ўсё, атрымаеце 1, калі стрэлка ў асноўным накіравана ўніз, і 0, калі яна ў асноўным накіравана ўверх.
У вас будзе 50% шанец выйграць для кожнага, калі стрэлка знаходзіцца ў цэнтры. У двух словах, гэта суперпазіцыя.
заблытванне
Біты ў традыцыйным кампутары не залежаць адзін ад аднаго. Стан аднаго біта не мае ніякага дачынення да стану іншага біта.
Кубіты ў квантавых кампутарах могуць заблытацца адзін з адным. Гэта азначае, што яны зліваюцца ў адзіны вялікі квантавы стан.
Для ілюстрацыі разгледзім два кубіты, якія знаходзяцца ў розных станах суперпазіцыі, але яшчэ не заблытаныя. У гэты час іх верагоднасць не залежыць адна ад адной.
Калі мы заблытаем іх, мы павінны адкінуць гэтыя незалежныя верагоднасці і вызначыць верагоднасці ўсіх альтэрнатыўных станаў, ад якіх мы можам пазбегнуць, а менавіта 00, 01, 10 і 11.
Размеркаванне верагоднасці ўсёй сістэмы змяняецца, калі кірунак стрэлкі на адным кубіце змяняецца, таму што кубіты заблыталіся.
Незалежнасць кубітаў адзін ад аднаго была страчана. Кожны з іх - складнік адной і той жа буйной дзяржавы. Незалежна ад таго, колькі кубітаў у вас ёсць, гэта ўсё роўна так.
Існуе магчымая камбінацыя 2n станаў для квантавага кампутара з n кубітаў.
У вас ёсць размеркаванне верагоднасці паміж двума станамі, напрыклад, для аднаго кубіта. У вас ёсць размеркаванне імавернасцей па чатырох станах для двух кубітаў і г. д. Асноўнае адрозненне паміж класічнымі і квантавымі камп'ютарамі заключаецца ў наступным.
Вы можаце паставіць класічныя камп'ютары ў любы стан, які хочаце, але толькі па адным. Усе гэтыя станы могуць існаваць адначасова на квантавых кампутарах як суперпазіцыя.
Якую карысць можа атрымаць камп'ютар, знаходзячыся ва ўсіх гэтых станах адначасова? Апошні элемент перашкоды ўваходзіць у гэты момант.
Умяшанне
Для апісання стану кубіта можна выкарыстоўваць квантавую хвалевую функцыю.
Фундаментальнае матэматычнае апісанне ўсяго ў квантавай фізіцы забяспечваецца хвалевымі функцыямі.
Калі шмат кубітаў заблытана, іх асобныя хвалевыя функцыі аб'ядноўваюцца, каб утварыць адну хвалевую функцыю, якая апісвае агульны стан квантавага кампутара.
Інтэрферэнцыя з'яўляецца вынікам складання гэтых хвалевых функцый разам. Калі хвалі складаюцца разам, яны могуць канструктыўна ўзаемадзейнічаць і аб'ядноўвацца, ствараючы вялікую хвалю, як гэта робіць рабізна вады.
Яны таксама могуць дэструктыўна ўзаемадзейнічаць, процідзейнічаючы адзін аднаму. Розная верагоднасць розных станаў вызначаецца агульнай хвалевай функцыяй квантавага кампутара.
Мы можам змяніць верагоднасць узнікнення пэўных станаў, калі мы вымяраем квантавы кампутар, змяняючы станы розных кубітаў.
Нягледзячы на тое, што квантавы кампутар можа існаваць у некалькіх суперпазіцыях станаў адначасова, вымярэнні выяўляюць толькі адзін з гэтых станаў.
Такім чынам, пры выкарыстанні квантавага кампутара для выканання вылічальнай працы неабходна канструктыўнае ўмяшанне, каб павялічыць верагоднасць атрымання правільнага адказу, і дэструктыўнае ўмяшанне, каб знізіць верагоднасць атрымання няправільнага.
Зараз давайце пачнем з Qiskit.
Што такое Qiskit?
Qiskit - гэта фрэймворк праграмнага забеспячэння, які фінансуецца IBM, і распрацаваны, каб палегчыць кожнаму ўвайсці ў сферу квантавых вылічэнняў.
Паколькі квантавыя камп'ютары складана атрымаць, вы можаце атрымаць іх праз воблачны пастаўшчык, напрыклад IBM, з дапамогай іх інструментарыя Qiskit.
Ён даступны бясплатна, і ўвесь яго код даступны з адкрытым зыходным кодам.
існуе онлайн падручнік які навучыць вас усім асновам квантавай фізікі, што вельмі карысна для тых, хто не знаёмы з прадметам. Python выкарыстоўваецца для распрацоўкі набору інструментаў Qiskit.
Такім чынам, калі вы знаёмыя з мовай праграмавання Python, вы пазнаеце шмат кода.
Праграмны фрэймворк падыдзе жадаючым даведацца аб квантавых вылічэннях а таксама атрымаць практычны вопыт.
Найбольш фундаментальным аспектам Qiskit з'яўляецца тое, што ён працуе ў два этапы. Адным з этапаў з'яўляецца этап пабудовы, на якім мы ствараем некалькі квантавых схем і выкарыстоўваем гэтыя схемы для вырашэння праблемы.
Затым, пасля завяршэння этапу зборкі або дасягнення рашэння, мы пераходзім да наступнага этапу, які вядомы як этап выканання, на якім мы спрабуем запусціць зборку або рашэнне ў розных бэкэндах (бэкэнд вектара стану, унітарны бэкэнд, адкрыты Бэкэнд ASM), і пасля завяршэння запуску мы апрацоўваем даныя ў зборцы для жаданага вываду.
Пачатак працы з Qiskit
Вы можаце лакальна ўсталяваць яго на вашым персанальным камп'ютэры або наўтбуку Jupyter, які размяшчае IBM. Напішыце наступны код для лакальнай усталёўкі на кампутар з Windows:
Нам трэба зарэгістравацца тут, каб атрымаць доступ да маркера API, які дазваляе нам выкарыстоўваць квантавыя прылады IBM, і тады мы можам пачаць працаваць з вэб-сайтам кампаніі. Вы можаце сабе ўявіць, што робіце гэта, выкарыстоўваючы ўсталяваны ў Qiskit Jupyter Notebook, які працуе ў Інтэрнэце.
Вы можаце атрымаць доступ да яго, выбраўшы свой профіль у меню ў правым верхнім куце старонкі, затым выбраўшы Інфармацыя аб уліковым запісе. Вы можаце знайсці свой маркер API ў раздзеле маркераў API у выглядзе ***. Ён капіюецца і затым уводзіцца ў наступны код:
Пасля таго, як гэты код будзе выкананы, ваш маркер API будзе захаваны на вашым камп'ютары, што дазволіць вам выкарыстоўваць квантавыя прылады IBM. Увядзіце наступнае, каб вызначыць, ці ёсць у вас доступ да такой прылады:
Калі вышэйзгаданы код працуе, вы зможаце запускаць код не толькі на сваім кампутары, але і адпраўляючы ўбудаваныя квантавыя схемы на квантавыя прылады IBM і атрымліваючы вынікі.
Такім чынам, выкарыстоўваючы бібліятэку схем, мы можам пачаць распрацоўку нашага першага квантавага алгарытму. Мы пачынаем з імпарту асноўных залежнасцяў з Qiskit у наш праект.
Затым мы ствараем двухкубітны квантавы рэгістр і двухбітны звычайны рэгістр.
Такім чынам, цяпер у нас створаны і класічны, і квантавы рэгістры. Выкарыстоўваючы гэтыя два, мы можам пабудаваць схему, і калі ў любы час на працягу мадыфікацыі схемы вы захочаце накідаць, як квантавая схема выглядае, напішыце наступны код:
На малюнку бачна, што схема складаецца з двух квантавых і двух класічных бітаў.
На гэтай трасе адсутнічаюць вароты, што робіць яе нецікавай. Зараз давайце пабудуем схему з дапамогай квантавых варот. Як класічны лагічныя вароты (І, АБО) прызначаны для звычайных лічбавых схем, квантавыя вароты з'яўляюцца фундаментальнымі кампанентамі квантавых схем.
Прымяненне варот Адамара да першага кубіта - гэта першы крок у стварэнні заблытанасці. Затым, выкарыстоўваючы наступны код, мы дадамо двухкубітную кіраваную аперацыю x:
Цяпер, калі гэтыя два аператары былі выкарыстаны для пабудовы нашай квантавай схемы, прыйшоў час вымераць квантавыя біты (кубіты), зрабіць гэтыя вымярэнні і захаваць іх у класічных бітах. Давайце створым неабходны код для дасягнення гэтай мэты:
Схема ніжэй паказвае схему нашай схемы:
Затым схему трэба запусціць на традыцыйным камп'ютэрным сімулятары. Схема была завершана. І вывучыць вынікі гэтага выканання.
Інфармацыя, атрыманая пры выкананні гэтай схемы, захоўваецца ў зменнай выніку. Давайце пакажам гэтыя вынікі з дапамогай гістаграмы графіка.
Вось што адбываецца, калі мы запускаем нашу квантавую схему. Для лікаў 00 і 11 мы атрымліваем верагоднасць каля 50%. Ваша першапачатковая схема квантавага кампутара была пабудавана. Віншую!
Прыкладанні Qiskit Quantum Computing
Фінансы Qiskit
Калекцыю дэманстрацыйных інструментаў і прыкладанняў прапануе Qiskit Finance. Сюды ўваходзяць перакладчыкі Ising для аптымізацыі партфеля, пастаўшчыкі даных для фактычных або выпадковых даных і ўкараненні для цэнаўтварэння розных фінансавых варыянтаў або ацэнкі крэдытнай рызыкі.
Прырода Qiskit
Прыкладання, як згортванне бялку і электронная/вібранная структура вылічэнні як для ўзбуджаных, так і для асноўных станаў падтрымліваюцца Qiskit Nature.
Ён прапануе ўсе часткі, неабходныя для злучэння класічных кодаў і аўтаматычнага пераўтварэння ў розныя ўяўленні, неабходныя квантавым кампутарам.
Машыннае навучанне Qiskit
Квантавы навучанне з дапамогай машыны метады, якія выкарыстоўваюць іх для вырашэння розных праблем, такіх як рэгрэсія і класіфікацыя, прадастаўляюцца машынным навучаннем Qiskit, а таксама фундаментальнымі квантавымі ядром і квантавымі нейронавымі сеткамі (QNN) у якасці будаўнічых блокаў.
Гэта таксама дазваляе падключаць QNN да PyTorch з мэтай уключэння квантавых элементаў у класічныя аперацыі.
Qiskit аптымізацыя
Qiskit Optimization прапануе ўвесь спектр аптымізацыйных паслуг, у тым ліку высокаўзроўневае мадэляванне праблем аптымізацыі, аўтаматызаваны пераклад задач у розныя неабходныя ўяўленні і набор простых метадаў квантавай аптымізацыі.
заключэнне
У заключэнне, у той час як самы хуткі суперкампутар, даступны цяпер, займае гады, квантавыя кампутары могуць хутка ўзламаць сучасныя метады шыфравання.
Нягледзячы на тое, што квантавыя кампутары змогуць узламаць многія метады шыфравання, якія выкарыстоўваюцца сёння, чакаецца, што яны створаць заменнікі, устойлівыя да ўзлому.
Аптымізацыя задач - гэта моцны бок квантавых кампутараў. Для атрымання дадатковай інфармацыі, калі ласка, наведайце Qiskit GitHub.
Пакінуць каментар