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Più rapidamente chè mai, u mondu cambia per via di u cambiamentu digitale.
Cù l'avventu imminente di un'altra nova onda di tecnulugia capace di cambià drasticamente i paradigmi attuali cù una velocità è una putenza sorprendente: l'informatica quantistica, capiscenu l'idee fundamentali di l'era digitale diventerà ancu più impurtante.
Una tecnica avanzata chjamata quantum computing face usu di a fisica quantistica per risolve i prublemi chì sò fora di u scopu di l'urdinatori convenzionali.
I principii di a teoria quantistica mostranu cumu si comportanu a materia è l'energia à a scala atomica è subatomica, è Qiskit d'IBM hè un kit di sviluppu di software quantum open-source chì aiuta à creà sistemi di computazione quantistica.
Questu articulu cerca di spiegà questu è furnisce una visione generale di l'informatica quantistica.
Spiegheremu à i nostri lettori cù l'aiutu di un computing quantum open-source SDK, ie. Qiskit è lasciate chì scopre l'usu Jupyter Notebooks ospitatu à IBM Quantum Lab.
Chì ghjè l'informatica quantistica?
Informatica quantistica hè un ramu di l'informatica chì si cuncentra in u sviluppu di a tecnulugia di l'informatica utilizendu idee da a teoria quantistica.
Prufitta di a capacità eccezziunale di particeddi subatomichi per esiste simultaneamente in parechji stati, cum'è 0 è 1.
Sò capaci di processà assai più dati cà l'urdinatori regulari.
In i prucessi di computazione quantistica, un qubit hè fattu cù u statu quantum di un ughjettu. I pezzi essenziali di l'infurmazioni in quantum computing sò qubits.
Eseguinu a listessa funzione cum'è i bits in l'informatica convenzionale in l'informatica quantistica, ma agiscenu assai diffirenti. L'informatica quantistica hè un campu chì emerge in l'anni 1980.
Allora hè statu scupertu chì l'algoritmi quantistici eranu più efficaci à fà certi compiti di l'informatica cà i so contraparti classici.
A superposizione è l'entanglement, dui cuncetti da a fisica quantistica, sò i fundamenti nantu à quale si basanu sti supercomputer.
In paragone à l'urdinatori cunvinziunali, i computer quantistici ponu attualmente fà travaglii di grandezza più veloce mentre cunsumendu assai menu energia.
Avemu da prucede cù l'operazione di l'urdinatori quantistici per capiscenu cumplettamente. Cuminciamu avà.
Cumu funziona veramente un computer quantisticu?
In cunfrontu cù l'urdinatori tradiziunali chì sò abituati, l'urdinatori quantistici avvicinanu a risoluzione di prublemi in modu diversu. Per certi compiti, i computer quantistici sò preferiti à quelli tradiziunali in parechje manere.
A so capacità di esiste in numerosi stati à una volta hè pensata per esse a causa. Per d 'altra banda, i computer cunvinziunali ponu esse solu in un statu unicu à una volta.
Ci hè trè cuncetti chjave chì duvete capisce per capisce cumu operanu i computer quantistici:
- Superposition.
- Entanglement.
- Interferenza.
Superposizione
Bits sò i cumpunenti fundamentali di l'urdinatori tradiziunali. Quantum bits, o Qubits, sò l'unità basi di l'informatica quantistica.
In fondu, i bits quantum operanu in modu diversu. Un bit binariu, qualchì volta cunnisciutu cum'è un bit tradiziunale, hè un switch chì pò esse un 0 o un 1.
Ricevemu u statu attuale di u bit torna quandu a misuramu. Qubits sò un'eccezzioni à questu. Qubits ponu esse paragunati à frecce chì puntanu in trè dimensioni.
Sò in e cundizioni 0 s'elli puntanu in sopra. Sò in u statu 1 s'elli puntanu in u fondu. U stessu hè veru cù i pezzi classici.
Tuttavia, ponu ancu sceglie di esse in un statu di superposizione.
Una freccia hè in a cundizione induve punta in ogni altra direzzione. A superposizione di 0 è 1 risultati in stu statu. Un Qubit pruduci sempre un 1 o un 0 cum'è u risultatu quandu hè misuratu.
Tuttavia, l'orientazione di a freccia determina una probabilità chì hè pertinente.
Hè più prubabile di riceve un 1 se a freccia hè principalmente puntata in giù è un 0 si hè principalmente puntata in sopra.
Averete una probabilità di 50% di vince per ognunu se a freccia hè in u centru. In poche parole, questu hè a superposizione.
In entanglement
I bits in un computer tradiziunale sò indipendenti l'un di l'altru. U statu di un bit ùn hà micca impattu annantu à u statu di l'altru bit.
I qubits in i computer quantistici ponu esse intrecciati l'una cù l'altru. Questu implica chì si fusionanu in un unicu grande statu quantum.
Per l'illustrazione, cunzidira dui qubits chì sò in diversi stati di superposizione, ma ùn sò micca ancora intricati. À questu tempu, a so probabilità ùn si basa micca unu di l'altru.
Quandu l'imbulighemu, duvemu scartà e probabilità indipendenti è determinà e probabilità di tutti i stati alternativi chì pudemu scappà, vale à dì, 00, 01, 10 è 11.
A distribuzione di probabilità di u sistema sanu hè cambiatu se a direzzione di a freccia nantu à un qubit hè cambiata perchè i qubits sò intricati.
L'indipendenza di i qubits l'un da l'altru hè stata persa. Ognunu di elli hè un cumpunente di u listessu statu grande. Ùn importa micca quanti qubits avete, questu hè sempre u casu.
Ci hè una cumminazione pussibule di 2n stati per un computer quantum cù n qubits.
Avete una distribuzione di probabilità in dui stati, per esempiu, per un qubit. Avete una distribuzione di probabilità in quattru stati per dui qubits, etc. A distinzione principale trà l'ordinateur classicu è quantum hè questu.
Pudete mette l'urdinatori classici in ogni cundizione chì sceglite, ma solu unu à u tempu. Tutti quelli stati ponu esiste simultaneamente nantu à i computer quantistici cum'è una superposizione.
Cumu l'urdinatore pò prufittà di esse in tutti quelli stati à una volta? L'ultimu elementu di interferenza entre in questu puntu.
vinniri
Una funzione d'onda quantistica pò esse usata per discrìviri u statu di un qubit.
A descrizzione matematica fundamentale di tuttu in a fisica quantistica hè furnita da funzioni d'onda.
Quandu parechji qubits sò intrecciati, e so funzioni d'onda individuali sò cumminati inseme per furmà una sola funzione d'onda chì descrive u statu generale di l'urdinatore quantum.
L'interferenza hè u risultatu di aghjunghje queste funzioni d'onda. Quandu l'onde sò aghjunte, puderanu interagisce in modu constructivu è combina per creà una onda più grande, cum'è l'ondulazione di l'acqua.
Puderanu ancu interagisce in modu distruttivu per contru à l'altru. A probabilità variata di i diversi stati hè determinata da a funzione d'onda generale di l'informatica quantistica.
Pudemu mudificà a probabilità chì certi stati emergeranu quandu misurà l'urdinatore quantum alterendu i stati di diversi qubits.
Ancu s'è l'urdinatore quantum pò esiste in parechje superposizioni di stati à una volta, e misurazioni revelanu solu unu di quelli stati.
Dunque, mentre utilizendu un computer quantisticu per compie un travagliu di computazione, l'interferenza constructiva hè necessaria per elevà a probabilità di riceve a risposta curretta è l'interferenza distruttiva per riduce a probabilità di riceve una incorrecta.
Avà, cuminciamu cù u Qiskit.
Chì ghjè Qiskit?
Qiskit hè un framework di software finanziatu da IBM pensatu per fà più faciule per qualcunu per entre in u campu di l'informatica quantistica.
Perchè i computer quantistici sò difficiuli di uttene, pudete ottene unu attraversu un fornitore di nuvola, cum'è IBM, utilizendu a so cassetta di strumenti Qiskit.
Hè dispunibule gratuitamente, è tuttu u so codice hè fonti apertu.
Ci hè una libru di testu in linea chì vi insegna tutti i fundamenti di a fisica quantistica, chì hè assai utile per quelli chì ùn sò micca familiarizati cù u sughjettu. Python hè adupratu per sviluppà u toolkit Qiskit.
Allora, sè vo site familiarizatu cù a lingua di prugrammazione Python, ricunnosce assai codice.
U framework di u software hè adattatu per quelli chì vulianu amparà nantu à l'informatica quantistica mentre acquistendu ancu una sperienza pratica.
L'aspettu più fundamentale di Qiskit hè chì opera in duie tappe. Unu di i passi hè a tappa di custruzzione, in quale creamu parechji circuiti quantum è aduprà quelli circuiti per risolve u prublema.
Dopu, dopu avè finitu a tappa di custruzzione o ghjunghje à a suluzione, andemu à a tappa successiva, chì hè cunnisciuta cum'è a tappa di esecuzione, in u quale pruvemu di eseguisce a nostra custruzzione o suluzione in i diversi backends (backend di vettore di statu, backend unitario, apertu. ASM backend), è dopu chì a corsa hè finita, processemu i dati in a custruzzione per a pruduzzioni desiderata.
Cumincià cù Qiskit
In u vostru urdinatore persunale o in u Jupyter Notebook chì IBM ospita, pudete installà lucale. Scrivite u seguente codice per installà in u locu in un computer Windows:
Avemu bisognu di registrà quì per accede à u token API chì ci permette di utilizà i dispositi quantum di IBM, è poi pudemu cumincià à travaglià cù u situ web di a cumpagnia. Pudete imaginà di fà questu utilizendu un Jupyter Notebook installatu da Qiskit in linea.
Pudete accede à ellu scegliendu u vostru Profilu da u menù in l'angulu superiore drittu di a pagina, dopu selezziunate l'infurmazione di u contu. Pudete truvà u vostru token API sottu a sezione nantu à i tokens API in forma di ***. Hè copiatu è dopu inseritu in u codice seguente:
Una volta stu codice hè statu eseguitu, u vostru token API serà salvatu in u vostru urdinatore, chì vi permette di utilizà i dispositi quantum di IBM. Inserite i seguenti per stabilisce se avete accessu à un tali dispositivu:
Se u codice sopra citatu corre, duvete esse capace di eseguisce u codice micca solu in u vostru urdinatore, ma ancu mandendu i circuiti quantistici integrati à i dispositi quantum di IBM è riceve risultati.
Allora, usendu a libreria di circuiti, pudemu cumincià à sviluppà u nostru primu algoritmu quantisticu. Cuminciamu per impurtà e dipendenze essenziali da Qiskit in u nostru prughjettu.
Dopu custruemu un registru quantum di dui qubit è un registru cunvinziunali di dui bit.
Allora avà avemu stabilitu un registru classicu è quantum. Utilizendu questi dui, pudemu custruisce u circuitu è se, in ogni mumentu di a mudificazione di u circuitu, vulete sbuchjarà ciò chì pare u circuitu quantum, scrivite u codice seguente:
Pudemu vede da a stampa chì u circuitu hè custituitu da dui bits quantum è dui bits classici.
Cume hè, stu circuitu manca di porte, facendu micca interessante. Avà custruemu u circuitu utilizendu e porte quantum. Cum'è classicu porte logiche (AND, OR e porte) sò per i circuiti digitali normali, e porte quantum sò i cumpunenti fundamentali di i circuiti quantum.
L'applicazione di a porta Hadamard à u primu qubit hè u primu passu in a creazione d'entanglement. Allora, usendu u codice seguente, aghjunghjemu una operazione x cuntrullata à dui qubit:
Avà chì sti dui operatori sò stati utilizati per custruisce u nostru circuitu quantisticu, hè u tempu di misurà i bits quantum (qubits), pigliate e misurazioni è l'almacenà in i bits classici. Creemu u codice necessariu per ottene questu:
U schema quì sottu mostra u schema di u nostru circuitu:
U circuitu deve esse eseguitu nantu à un simulatore di computer tradiziunale. U circuitu hè statu finitu. È esaminà i risultati di quella esecuzione.
L'infurmazione ottenuta da a realizazione di quellu circuitu hè almacenata in a variabile di u risultatu. Fighjemu questi risultati cù un histogramma di trama.
Hè ciò chì succede quandu eseguimu u nostru circuitu quantum. Per i numeri 00 è 11, ricevemu probabilità di circa 50%. U vostru circuitu di computer quantum iniziale hè statu custruitu. Felicitazioni!
Applicazioni di Qiskit Quantum Computing
Qiskit Finance
Qiskit Finance offre una cullizzioni di strumenti dimostrativi è applicazioni. Questi includenu traduttori Ising per l'ottimisazione di portafogli, fornitori di dati per dati attuali o casuali, è implementazioni per i prezzi di diverse opzioni finanziarie o valutazioni di risicu di creditu.
Qiskit Nature
Apps cum'è plegamentu di proteine è struttura elettronica / vibranica i calculi per i stati eccitati è terreni sò supportati da Qiskit Nature.
Offre tutte e parti necessarie per cunnette i codici classici è cunvertisce automaticamente in diverse rappresentazioni necessarie da i computer quantistici.
Qiskit Machine Learning
Quantum machine learning i metudi chì l'utilizanu per affruntà diversi prublemi, cum'è a regressione è a classificazione, sò furniti da Qiskit Machine Learning, è ancu i kernels quantum fundamentali è e reti neurali quantistiche (QNN) cum'è blocchi di costruzione.
Permette ancu a cunnessione di QNN à PyTorch per u scopu di incorpore elementi quantum in operazioni classiche.
Qiskit Optimization
Qiskit Optimization offre tuttu u spettru di servizii d'ottimisazione, cumprese a modellazione d'altu livellu di prublemi di ottimisazione, traduzzione automatizata di prublemi à diverse rappresentazioni necessarie, è una cullizzioni di metudi simplici di ottimisazione quantistica.
cunchiusioni
In cunclusione, mentre chì u supercomputer più veloce avà dispunibule dura anni, i computer quantistici ponu sfondà rapidamente i metudi di crittografia attuale.
Malgradu u fattu chì l'urdinatori quantistici puderanu rompe assai di e tecniche di criptografia aduprate oghje, hè anticipatu chì creanu sustituti à prova di pirate.
L'ottimisazione di i prublemi hè una forza di l'informatica quantistica. Per più dettagli, visitate Qiskit GitHub.
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