Kvantno računarstvo je nova tehnologija koja koristi kvantnu fiziku za rješavanje problema koji su izvan mogućnosti tradicionalnih kompjutera.
Mnoge kompanije sada pokušavaju da učine stvarni kvantni hardver dostupnim desetinama hiljada programera, alat o kojem su naučnici samo sanjali prije tri decenije.
Kao rezultat toga, naši inženjeri često primjenjuju sve moćnije supravodljive kvantne kompjutere, približavajući nas brzini i kapacitetu kvantnog računanja koji su neophodni za promjenu svijeta.
U ovom postu ćemo detaljnije pogledati kvantno računanje i alate i okvire koji idu uz to, kao i gdje će biti 2022. godine.
Šta je kvantno računarstvo?
Ovi superkompjuteri su izgrađeni na principima superpozicije i isprepletenosti, što su dva aspekta kvantne fizike. Kvantni računari sada mogu obavljati zadatke brzinom koja je za redove veličine brža od tradicionalnih računara, a troše daleko manje energije.
Osamdesetih godina prošlog vijeka nastalo je područje kvantnog računarstva. Tada je otkriveno da su kvantni algoritmi efikasniji od svojih konvencionalnih ekvivalenata u rješavanju određenih kompjuterskih zadataka.
Kvantno računarstvo je disciplina kompjuterske nauke koja se fokusira na napredak kompjuterske tehnologije zasnovane na konceptima kvantne teorije. Koristi izvanrednu sposobnost subatomskih čestica da postoje u nekoliko stanja odjednom, kao što su 0 i 1. One su u stanju da obrade znatno više podataka od običnih kompjutera.
Kvantno stanje stavke se koristi za kreiranje kubita u operacijama kvantnog računanja. Kubiti su osnovne jedinice podataka kvantnog računarstva. U kvantnom računarstvu oni služe istom poslu kao i bitovi u običnom računarstvu, ali se ponašaju sasvim drugačije.
Tradicionalni bitovi su binarni i mogu zadržati samo poziciju 0 ili 1, dok kubiti mogu uključivati superpoziciju svih mogućih stanja.
Najbolji okviri za kvantno računanje
1. Circq
Cirq je napravio Googleov Quantum AI tim. Koristi se za dizajniranje i poboljšanje kvantnih krugova koji se zatim testiraju na kvantnim kompjuterima i simulatorima. Cirq je fantastičan jer nudi razvojne simulatore koji su prilično slični onima u stvarnom životu.
Ovo implicira da biblioteka radi svoj put kroz hardverske detalje koji okružuju NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum) tako da možemo biti sigurni da se algoritam ili kolo može pokrenuti na stvarnom kvantnom računaru nakon što se završi.
Kao rezultat toga, ima potencijal da se iskoristi za stvaranje prilagodljivih kvantnih kola koje se mogu koristiti. Takođe ima karakteristike interoperabilnosti. Softver koji uvozi i izvozi kvantne sklopove i simulacije, na primjer.
Okvir za programiranje kvantnih računara otvorenog koda. Cirq je a piton softverski paket koji vam omogućava da kreirate, manipulišete i optimizujete kvantne krugove pre nego što ih izvršite na kvantnim računarima i simulatorima.
Cirq je efikasna apstrakcija za bavljenje današnjim bučnim kvantnim računarima srednje veličine, gdje su hardverski zahtjevi kritični za postizanje vrhunskih rezultata.
Značajke
- Od kapija koje rade na kubitima, možete naučiti kako dizajnirati kvantna kola. Naučite što je Moment i kako vam razne taktike umetanja mogu pomoći u izgradnji vašeg idealnog kruga. Naučite kako isjeći i kockice sklopove kako biste kreirali nova i poboljšana kola.
- Tehnološka ograničenja imaju značajan uticaj na to da li se kolo može implementirati na savremeni hardver ili ne. Naučite kako programirati Google-ov Quantum Computing Service i kako kreirati uređaje za rješavanje ovih ograničenja.
- I valne funkcije i matrice gustoće imaju ugrađene simulatore u Cirq. Monte Carlo ili simulacije pune matrice gustine mogu se koristiti za rješavanje bučnih kvantnih kanala.
- Kako bi izvršio testove na Googleovim kvantnim procesorima, Cirq sarađuje sa Quantum Computing Service.
2. ProjectQ
ETH Zurich je kreirao ProjectQ, arhitekturu softvera za kvantno računarstvo otvorenog koda. Pruža robustan i jednostavan sintaksa za korisnike da kreiraju kvantne aplikacije u Pythonu. ProjectQ zatim može konvertovati ove skripte u bilo koji oblik back-enda, bilo da se radi o klasičnom računarskom simulatoru ili kvantnom procesoru.
ProjectQ zatim može pretvoriti ove aplikacije u bilo koju vrstu back-enda, kao što je klasični kompjuterski simulator ili kvantni procesor, kao što je IBM Quantum Experience platforma.
Značajke
- IT je na visokom nivou programski jezik za kvantne programe.
- Ima modularni i prilagodljiv kompajler.
- Takođe nudi niz hardverskih i softverskih pozadinskih delova.
- Kvantna kompjuterska biblioteka (FermiLib) za rješavanje fermionskih problema
- IBM Quantum Experience čip, AQT uređaji, AWS Braket i IonQ uređaji koji pružaju usluge mogu se koristiti za pokretanje kvantnih algoritama.
- Na višem nivou apstrakcije, kvantni programi se mogu emulirati (npr. oponašati akciju velikih proročišta umjesto da ih kompajliraju na kapije niskog nivoa)
- Na klasičnim računarima, kvantni programi se mogu simulirati.
3. Tensoflow Quantum
Python framework TensorFlow Quantum (TFQ) je za kvant mašinsko učenje. TFQ je TensorFlow aplikacijski okvir koji omogućava istraživačima kvantnog algoritma i mašinskog učenja da koriste Google-ove kvantne računarske okvire direktno iz TensorFlow-a.
TensorFlow Quantum je program koji se fokusira na kvantne podatke i stvaranje kvantno-klasičnih hibridnih modela. Kombinira tehnike kvantnog računarstva i logiku koje je dizajnirao Cirq sa TensorFlow API-jima, kao i simulatore kvantnih kola visokih performansi.
TFQ okvir se može koristiti za pokretanje i tradicionalnih i hibridnih modela, kao što je Quantum CNN (QCNN). Kao rezultat toga, TFQ se može koristiti za bilo koji problem na koji je ranije bilo nemoguće odgovoriti tradicionalnim pristupima. Da biste odgovorili na određene probleme u stvarnom svijetu, počnite s TFQ-om da biste kreirali kvantne ili kvantno-klasične hibridne modele.
Značajke
- Istraživači mogu koristiti TFQ za kreiranje tenzora pomoću kvantnih skupova podataka, kvantnih modela i konvencionalnih kontrolnih parametara u jednoj računarskoj mreži.
- Tenzori se koriste za pohranjivanje kvantnih podataka (višedimenzionalni niz brojeva). Svaki tenzor kvantnih podataka je opisan kao Cirq kvantno kolo koje stvara kvantne podatke u hodu.
- Istraživač može koristiti Cirq za prototip kvanta neuronska mreža koji će kasnije biti uključen u TensorFlow računski graf.
- Sposobnost istovremenog treniranja i izvršavanja brojnih kvantnih kola je glavna karakteristika TensorFlow Quantum.
4. Percevel
Perceval je okvir otvorenog koda za programiranje fotonskih kvantnih računara koji je razvio Perceval, francuski biznis koji se fokusira na izgradnju nove generacije kvantnih računara zasnovanih na manipulaciji svjetlom.
Perceval nudi alate za sastavljanje kola od linearnih optičkih komponenti, definisanje izvora od jednog fotona, manipulisanje Fockovim stanjima, izvođenje kvantnih simulacija, reprodukciju objavljenih eksperimentalnih radova i eksperimentisanje sa novom generacijom kvantnih algoritama kroz jednostavan objektno orijentisani Python API.
Njegov cilj je da bude prateći alat za konstruisanje kvantnih fotonskih kola — za simulaciju i usavršavanje njihovog dizajna, modeliranje i idealnog i stvarnog ponašanja, i nudeći standardizovani interfejs za njihovu kontrolu preko pojma backenda.
Optimiziran je za rad na lokalnoj radnoj površini, s mnogim poboljšanjima za HPC klastere, i pruža pristup sofisticiranim pozadinskim dijelovima za numeričku i simboličku simulaciju kvantnih algoritama na fotonskim kolima.
Također možete koristiti veliki broj prefabrikovanih komponenti za kreiranje algoritama i komplikovanih linearnih optičkih kola. Biblioteka dobro poznatih algoritama je dostupna, kao i lekcije o tome kako ih koristiti.
Također možete koristiti nekoliko linija koda za izvođenje eksperimenata za fino podešavanje algoritama, usporedbu s eksperimentalnim podacima i ponovno kreiranje objavljenih publikacija.
Značajke
- Jedinstvena arhitektura posvećena u potpunosti linearnoj optici i fotonskom kvantnom računarstvu
- Projekat je projekat otvorenog koda sa modularnom arhitekturom koja pozdravlja doprinos zajednice.
- Koristeći ogromnu biblioteku prefabrikovanih komponenti, kreirajte algoritme i komplikovana kola linearne optike. Biblioteka dobro poznatih algoritama je dostupna, kao i lekcije o tome kako ih koristiti.
- Eksperimentirajte s algoritmima kako biste ih fino podesili, uporedili ih s eksperimentalnim podacima i kopirajte postojeće publikacije u nekoliko redova koda.
- Da biste emulirali kvantne algoritme na fotonskim kolima, koristite sofisticirane pozadine. Perceval je dizajniran da radi na lokalnoj radnoj površini u smislu numeričkih i simboličkih performansi, sa mnogim poboljšanjima za HPC klastere.
5. Qiskit
Znamo da ako govorimo o tehnologiji sljedeće generacije, IBM će imati nešto za ponuditi. Svakako. QisKit je platforma otvorenog koda za razvoj kvantnog softvera.
Qiskit je softverski okvir koji finansira IBM i koji korisnicima olakšava učenje kvantno računanje. Budući da je teško doći do kvantnih računara, možete koristiti provajdera u oblaku kao što je IBM-ov komplet alata Qiskit da biste dobili pristup njemu.
Potpuno je besplatan za korištenje i sav kod je takav open source. Postoji onlajn udžbenik koji vas uči svim osnovama kvantne fizike, što je vrlo korisno za početnike koji nisu upoznati s tom temom.
Kvantni računari se mogu koristiti na nivou impulsa, kola i aplikativnih modula.
Značajke
- Korisnici različitih nivoa mogu koristiti Qiskit za istraživanje i razvoj aplikacija jer dolazi sa kompletnom kolekcijom kvantnih kapija i nizom unapred izgrađenih kola.
- Možete koristiti Qiskit Runtime za koordinaciju kvantnih aplikacija na CPU-ima, QPU-ovima i GPU-ovima u oblaku, kao i za pokretanje i planiranje aktivnosti na stvarnim kvantnim procesorima.
- Transpiler pretvara Qiskit kod u efikasno kolo koristeći izvorni set kapija pozadine, omogućavajući korisnicima da dizajniraju za bilo koji kvantni procesor ili arhitekturu sa minimalnim ulazima.
zaključak
Ukratko, kvantni kompjuteri mogu brzo prodrijeti u današnje tehnike šifriranja za kratko vrijeme, dok najvećem superkompjuteru koji je sada dostupan trebaju godine.
Uprkos činjenici da će kvantni računari biti sposobni da razbiju mnoge današnje šeme šifrovanja, očekuje se da će razviti alternative otporne na hakiranje. Kvantni računari su fantastični u rješavanju problema optimizacije.
Ostavite odgovor