Mae cyfrifiadura cwantwm yn dechnoleg newydd sy'n defnyddio ffiseg cwantwm i fynd i'r afael â materion sydd y tu hwnt i alluoedd cyfrifiaduron traddodiadol.
Mae llawer o gwmnïau bellach yn ceisio sicrhau bod caledwedd cwantwm gwirioneddol ar gael i ddegau o filoedd o ddatblygwyr, offeryn y breuddwydiodd gwyddonwyr amdano dri degawd yn ôl yn unig.
O ganlyniad, mae ein peirianwyr yn aml yn defnyddio cyfrifiaduron cwantwm uwchddargludo cynyddol bwerus, gan ddod â ni'n agosach at y cyflymder a'r gallu cyfrifiadurol cwantwm sy'n angenrheidiol i newid y byd.
Yn y post hwn, byddwn yn edrych yn agosach ar cyfrifiadura cwantwm a'r offer a'r fframweithiau sy'n cyd-fynd ag ef, yn ogystal â ble y byddant yn 2022.
Beth yw Cyfrifiadura Cwantwm?
Mae'r uwchgyfrifiaduron hyn wedi'u hadeiladu ar egwyddorion arosod a chyflymu, sef dwy agwedd ar ffiseg cwantwm. Bellach gall cyfrifiaduron cwantwm wneud tasgau ar gyfraddau maint yn gyflymach na chyfrifiaduron traddodiadol tra'n defnyddio llawer llai o ynni.
Yn yr 1980au, cododd maes cyfrifiadura cwantwm. Yna datgelwyd bod algorithmau cwantwm yn fwy effeithlon na'r rhai confensiynol cyfatebol wrth ddatrys rhai tasgau cyfrifiadurol.
Mae cyfrifiadura cwantwm yn ddisgyblaeth cyfrifiadureg sy'n canolbwyntio ar hyrwyddo technoleg gyfrifiadurol yn seiliedig ar gysyniadau theori cwantwm. Mae'n gwneud defnydd o allu rhyfeddol gronynnau isatomig i fodoli mewn sawl cyflwr ar unwaith, megis 0 ac 1. Maent yn gallu prosesu llawer mwy o ddata na chyfrifiaduron cyffredin.
Defnyddir cyflwr cwantwm eitem i greu cwbit mewn gweithrediadau cyfrifiadura cwantwm. Qubits yw unedau data sylfaenol cyfrifiadura cwantwm. Mewn cyfrifiadura cwantwm, maen nhw'n cyflawni'r un swydd â darnau mewn cyfrifiadureg arferol, ond maen nhw'n ymddwyn yn dra gwahanol.
Mae darnau traddodiadol yn ddeuaidd a gallant gadw safle o 0 neu 1 yn unig, tra gall cwbits gynnwys arosodiad o bob cyflwr posibl.
Fframweithiau Gorau ar gyfer Cyfrifiadura Cwantwm
1. Circq
Adeiladwyd Cirq gan dîm Quantum AI Google. Fe'i defnyddir i ddylunio a gwella cylchedau cwantwm sydd wedyn yn cael eu profi ar gyfrifiaduron cwantwm ac efelychwyr. Mae Cirq yn wych gan ei fod yn cynnig efelychwyr datblygu sy'n eithaf tebyg i'r rhai a welir mewn bywyd go iawn.
Mae hyn yn awgrymu bod y llyfrgell yn gweithio ei ffordd drwy'r manylion caledwedd sy'n ymwneud â NISQ (Cwantwm Graddfa Ganolradd Swnllyd) fel y gallwn fod yn sicr y gellir rhedeg yr algorithm neu'r gylched ar gyfrifiadur cwantwm go iawn ar ôl iddo ddod i ben.
O ganlyniad, mae ganddo'r potensial i gael ei ddefnyddio i greu cylchedau cwantwm addasadwy a defnyddiadwy. Mae ganddo hefyd nodweddion rhyngweithredu. Meddalwedd sy'n mewnforio ac allforio cylchedau cwantwm ac efelychiadau, er enghraifft.
Fframwaith ar gyfer rhaglennu cyfrifiaduron cwantwm sy'n ffynhonnell agored. Cirq yn a Python pecyn meddalwedd sy'n eich galluogi i greu, trin, a gwneud y gorau o gylchedau cwantwm cyn eu gweithredu ar gyfrifiaduron cwantwm ac efelychwyr.
Mae Cirq yn dyniad effeithlon ar gyfer delio â chyfrifiaduron cwantwm graddfa ganolradd swnllyd heddiw, lle mae gofynion caledwedd yn hanfodol ar gyfer cyflawni canlyniadau blaengar.
Nodweddion
- O gatiau sy'n gweithredu ar qubits, gallwch ddysgu sut i ddylunio cylchedau cwantwm. Dysgwch beth yw Moment a sut y gallai tactegau mewnosod amrywiol eich cynorthwyo i adeiladu eich cylched delfrydol. Dysgwch sut i sleisio a disio cylchedau er mwyn creu cylchedau newydd a gwell.
- Mae cyfyngiadau technoleg yn dylanwadu'n sylweddol ar a ellir gweithredu cylched ar galedwedd cyfoes ai peidio. Dysgwch sut i raglennu Gwasanaeth Cyfrifiadura Cwantwm Google a sut i greu dyfeisiau i fynd i'r afael â'r cyfyngiadau hyn.
- Mae gan swyddogaethau tonnau a matricsau dwysedd efelychwyr adeiledig yn Cirq. Gellir defnyddio Monte Carlo neu efelychiadau matrics dwysedd llawn i fynd i'r afael â sianeli cwantwm swnllyd.
- I gynnal profion ar broseswyr cwantwm Google, mae Cirq yn cydweithio â Quantum Computing Service.
2. ProsiectQ
Creodd ETH Zurich ProjectQ, pensaernïaeth meddalwedd cyfrifiadura cwantwm ffynhonnell agored. Mae'n darparu cadarn a syml cystrawen i ddefnyddwyr greu cymwysiadau cwantwm yn Python. Gall ProjectQ wedyn drosi'r sgriptiau hyn i unrhyw fath o gefn, boed yn efelychydd cyfrifiadur clasurol neu'n brosesydd cwantwm.
Gall ProjectQ wedyn drosi’r cymwysiadau hyn i unrhyw fath o bennau ôl, fel efelychydd cyfrifiadur clasurol neu brosesydd cwantwm, fel platfform Profiad Cwantwm IBM.
Nodweddion
- Mae TG yn lefel uchel iaith raglennu ar gyfer rhaglenni cwantwm.
- Mae ganddo gasglwr modiwlaidd y gellir ei addasu.
- Mae hefyd yn cynnig nifer o backendau caledwedd a meddalwedd.
- Llyfrgell gyfrifiadurol cwantwm (FermiLib) ar gyfer datrys materion ffermionig
- Gellir defnyddio sglodyn Profiad Cwantwm IBM, dyfeisiau AQT, Braket AWS, a dyfeisiau a ddarperir gan wasanaeth IonQ i redeg algorithmau cwantwm.
- Ar lefel uwch o dynnu, gellir efelychu rhaglenni cwantwm (e.e., dynwared gweithred oraclau mawr yn lle eu crynhoi i giatiau lefel isel)
- Ar gyfrifiaduron clasurol, gellir efelychu rhaglenni cwantwm.
3. Tensoflow Cwantwm
Mae fframwaith Python TensorFlow Quantum (TFQ) ar gyfer cwantwm dysgu peiriant. Mae TFQ yn fframwaith cymhwysiad TensorFlow sy'n caniatáu i ymchwilwyr algorithm cwantwm a dysgu peiriant ddefnyddio fframweithiau cyfrifiadura cwantwm Google yn uniongyrchol o TensorFlow.
Mae TensorFlow Quantum yn rhaglen sy'n canolbwyntio ar ddata cwantwm a chreu modelau hybrid cwantwm-clasurol. Mae'n cyfuno technegau cyfrifiadura cwantwm a gynlluniwyd gan Cirq a rhesymeg ag APIs TensorFlow, yn ogystal ag efelychwyr cylched cwantwm perfformiad uchel.
Gellir defnyddio'r fframwaith TFQ i redeg modelau traddodiadol a hybrid, megis Quantum CNN (QCNN). O ganlyniad, gellir defnyddio TFQ ar gyfer unrhyw broblem a oedd yn flaenorol yn amhosibl i'w hateb gan ddefnyddio dulliau traddodiadol. I ateb rhai problemau yn y byd go iawn, dechreuwch gyda TFQ i greu modelau hybrid cwantwm neu glasurol cwantwm.
Nodweddion
- Gall ymchwilwyr ddefnyddio TFQ i greu tensoriaid gan ddefnyddio setiau data cwantwm, modelau cwantwm, a pharamedrau rheoli confensiynol mewn un rhwydwaith cyfrifiannol.
- Defnyddir tensorau i storio data cwantwm (casgliad aml-ddimensiwn o rifau). Disgrifir pob tensor o ddata cwantwm fel cylched cwantwm Cirq sy'n creu data cwantwm ar y pryf.
- Gall yr ymchwilydd ddefnyddio Cirq i brototeipio cwantwm rhwydwaith nefol a fydd yn cael ei gynnwys mewn graff cyfrifo TensorFlow yn ddiweddarach.
- Mae'r gallu i hyfforddi a gweithredu nifer o gylchedau cwantwm ar yr un pryd yn nodwedd bwysig o TensorFlow Quantum.
4. Percevel
Mae Perceval yn fframwaith ffynhonnell agored ar gyfer rhaglennu cyfrifiaduron cwantwm ffotonig a ddatblygwyd gan Perceval, busnes Ffrengig sy'n canolbwyntio ar adeiladu cenhedlaeth newydd o gyfrifiaduron cwantwm yn seiliedig ar drin golau.
Mae Perceval yn cynnig offer ar gyfer cyfansoddi cylchedau o gydrannau optegol llinol, diffinio ffynonellau ffoton sengl, trin cyflyrau Ffoc, rhedeg efelychiadau cwantwm, atgynhyrchu papurau arbrofol cyhoeddedig, ac arbrofi gyda chenhedlaeth newydd o algorithmau cwantwm trwy API Python syml sy'n canolbwyntio ar wrthrych.
Ei nod yw bod yn offeryn cydymaith ar gyfer adeiladu cylchedau ffotonig cwantwm - ar gyfer efelychu a mireinio eu dyluniad, gan fodelu ymddygiad delfrydol a gwirioneddol, a chynnig rhyngwyneb safonol i'w rheoli trwy'r syniad o backends.
Mae wedi'i optimeiddio i weithredu ar benbwrdd lleol, gyda llawer o welliannau ar gyfer clystyrau HPC, ac mae'n darparu mynediad i backends soffistigedig ar gyfer efelychu rhifiadol a symbolaidd o algorithmau cwantwm ar gylchedau ffotonig.
Gallwch hefyd ddefnyddio nifer fawr o gydrannau parod i greu algorithmau a chylchedau opteg llinol cymhleth. Mae llyfrgell o algorithmau adnabyddus yn hygyrch, yn ogystal â gwersi ar sut i'w defnyddio.
Gallwch hefyd ddefnyddio ychydig linellau o god i gynnal arbrofion i fireinio algorithmau, cymharu â data arbrofol, ac ail-greu cyhoeddiadau cyhoeddedig.
Nodweddion
- Pensaernïaeth un-o-fath wedi'i neilltuo'n gyfan gwbl i opteg linellol a chyfrifiadura cwantwm ffotonig
- Mae'r prosiect yn brosiect ffynhonnell agored gyda phensaernïaeth fodiwlaidd sy'n croesawu cyfraniadau cymunedol.
- Gan ddefnyddio llyfrgell enfawr o gydrannau parod, creu algorithmau a chylchedau opteg llinol cymhleth. Mae llyfrgell o algorithmau adnabyddus yn hygyrch, yn ogystal â gwersi ar sut i'w defnyddio.
- Arbrofwch ag algorithmau i'w mireinio, eu cymharu â data arbrofol, a chopïo cyhoeddiadau presennol mewn ychydig linellau o god.
- I efelychu algorithmau cwantwm ar gylchedau ffotonig, defnyddiwch backends soffistigedig. Mae Perceval wedi'i gynllunio i redeg ar fwrdd gwaith lleol o ran perfformiad rhifol a symbolaidd, gyda llawer o welliannau ar gyfer clystyrau HPC.
5. Qiskit
Gwyddom, os ydym yn sôn am dechnoleg y genhedlaeth nesaf, y bydd gan IBM rywbeth i'w gynnig. Mae'n sicr yn gwneud hynny. QisKit yn blatfform ffynhonnell agored ar gyfer datblygu meddalwedd cwantwm.
Mae Qiskit yn fframwaith meddalwedd a ariennir gan IBM sy'n ei gwneud yn haws i ddefnyddwyr ddysgu amdano cyfrifiadura cwantwm. Oherwydd ei bod yn anodd dod o hyd i gyfrifiaduron cwantwm, gallwch ddefnyddio darparwr cwmwl fel pecyn cymorth Qiskit IBM i gael mynediad at un.
Mae'n hollol rhad ac am ddim i'w ddefnyddio, ac mae'r cod i gyd ffynhonnell agored. Mae yna werslyfr ar-lein sy'n dysgu holl hanfodion ffiseg cwantwm i chi, sy'n ddefnyddiol iawn i ddechreuwyr sy'n anghyfarwydd â'r pwnc.
Gellir defnyddio cyfrifiaduron cwantwm ar lefel corbys, cylchedau a modiwlau cymhwysiad.
Nodweddion
- Gall defnyddwyr o wahanol lefelau ddefnyddio Qiskit ar gyfer ymchwil a datblygu cymwysiadau oherwydd ei fod yn dod â chasgliad cyflawn o gatiau cwantwm ac ystod o gylchedau a adeiladwyd ymlaen llaw.
- Gallwch ddefnyddio Qiskit Runtime i gydlynu cymwysiadau cwantwm ar CPUs cwmwl, QPUs, a GPUs, yn ogystal â rhedeg ac amserlennu gweithgareddau ar broseswyr cwantwm gwirioneddol.
- Mae'r transpiler yn trosi cod Qiskit yn gylched effeithlon gan ddefnyddio set giât frodorol y pen ôl, gan ganiatáu i ddefnyddwyr ddylunio ar gyfer unrhyw brosesydd cwantwm neu bensaernïaeth gyda chyn lleied â phosibl o fewnbynnau.
Casgliad
I grynhoi, gall cyfrifiaduron cwantwm dreiddio'n gyflym i dechnegau amgryptio heddiw mewn cyfnod byr o amser, tra bod yr uwchgyfrifiadur mwyaf hygyrch bellach yn cymryd blynyddoedd.
Er gwaethaf y ffaith y bydd cyfrifiaduron cwantwm yn gallu cracio llawer o gynlluniau amgryptio heddiw, disgwylir y byddent yn datblygu dewisiadau amgen rhag darnia. Mae cyfrifiaduron Quantum yn wych wrth fynd i'r afael â materion optimeiddio.
Gadael ymateb