Πίνακας περιεχομένων[Κρύβω][Προβολή]
Ο κβαντικός υπολογισμός είναι μια νέα τεχνολογία που χρησιμοποιεί την κβαντική φυσική για να αντιμετωπίσει ζητήματα που ξεπερνούν τις δυνατότητες των παραδοσιακών υπολογιστών.
Πολλές εταιρείες προσπαθούν τώρα να διαθέσουν πραγματικό κβαντικό υλικό σε δεκάδες χιλιάδες προγραμματιστές, ένα εργαλείο που οι επιστήμονες ονειρευόντουσαν μόλις πριν από τρεις δεκαετίες.
Ως αποτέλεσμα, οι μηχανικοί μας αναπτύσσουν συχνά ολοένα και πιο ισχυρούς υπεραγώγιμους κβαντικούς υπολογιστές, φέρνοντάς μας πιο κοντά στην ταχύτητα και την ικανότητα κβαντικών υπολογιστών που απαιτούνται για την αλλαγή του κόσμου.
Σε αυτήν την ανάρτηση, θα ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά κβαντική υπολογιστική και τα εργαλεία και τα πλαίσια που το συνοδεύουν, καθώς και πού θα βρίσκονται το 2022.
Τι είναι ο Κβαντικός Υπολογισμός;
Αυτοί οι υπερυπολογιστές είναι χτισμένοι στις αρχές της υπέρθεσης και της εμπλοκής, οι οποίες είναι δύο πτυχές της κβαντικής φυσικής. Οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν τώρα να εκτελούν εργασίες με ρυθμούς τάξεις μεγέθους ταχύτερους από τους παραδοσιακούς υπολογιστές, ενώ χρησιμοποιούν πολύ λιγότερη ενέργεια.
Στη δεκαετία του 1980, εμφανίστηκε ο τομέας των κβαντικών υπολογιστών. Στη συνέχεια αποκαλύφθηκε ότι οι κβαντικοί αλγόριθμοι ήταν πιο αποτελεσματικοί από τους συμβατικούς τους ισοδύναμους στην επίλυση ορισμένων εργασιών υπολογιστή.
Ο κβαντικός υπολογιστής είναι ένας κλάδος της επιστήμης των υπολογιστών που εστιάζει στην πρόοδο της τεχνολογίας των υπολογιστών που βασίζεται σε έννοιες της κβαντικής θεωρίας. Χρησιμοποιεί την εξαιρετική ικανότητα των υποατομικών σωματιδίων να υπάρχουν σε πολλές καταστάσεις ταυτόχρονα, όπως το 0 και το 1. Είναι ικανά να επεξεργάζονται πολύ περισσότερα δεδομένα από τους συνηθισμένους υπολογιστές.
Η κβαντική κατάσταση ενός αντικειμένου χρησιμοποιείται για τη δημιουργία ενός qubit σε λειτουργίες κβαντικού υπολογισμού. Τα Qubits είναι οι θεμελιώδεις μονάδες δεδομένων του κβαντικού υπολογισμού. Στον κβαντικό υπολογισμό, εξυπηρετούν την ίδια δουλειά που κάνουν τα bits στον συνηθισμένο υπολογισμό, αλλά συμπεριφέρονται αρκετά διαφορετικά.
Τα παραδοσιακά bit είναι δυαδικά και μπορούν να διατηρήσουν μόνο μια θέση 0 ή 1, ενώ τα qubits μπορούν να περιλαμβάνουν μια υπέρθεση όλων των πιθανών καταστάσεων.
Τα καλύτερα πλαίσια για κβαντικούς υπολογιστές
1. cirq
Το Cirq κατασκευάστηκε από την ομάδα Quantum AI της Google. Χρησιμοποιείται για το σχεδιασμό και τη βελτίωση κβαντικών κυκλωμάτων που στη συνέχεια δοκιμάζονται σε κβαντικούς υπολογιστές και προσομοιωτές. Το Cirq είναι φανταστικό αφού προσφέρει προσομοιωτές ανάπτυξης που είναι αρκετά παρόμοιοι με αυτούς που εμφανίζονται στην πραγματική ζωή.
Αυτό σημαίνει ότι η βιβλιοθήκη λειτουργεί μέσα από τις λεπτομέρειες υλικού που περιβάλλουν το NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum) έτσι ώστε να μπορούμε να είμαστε σίγουροι ότι ο αλγόριθμος ή το κύκλωμα μπορεί να εκτελεστεί σε έναν πραγματικό κβαντικό υπολογιστή μετά την ολοκλήρωσή του.
Ως αποτέλεσμα, έχει τη δυνατότητα να αξιοποιηθεί για τη δημιουργία προσαρμοστικών και αναπτυσσόμενων κβαντικών κυκλωμάτων. Διαθέτει επίσης χαρακτηριστικά διαλειτουργικότητας. Ένα λογισμικό που εισάγει και εξάγει κβαντικά κυκλώματα και προσομοιώσεις, για παράδειγμα.
Ένα πλαίσιο για τον προγραμματισμό κβαντικών υπολογιστών που είναι ανοιχτού κώδικα. Το Cirq είναι ένα Python πακέτο λογισμικού που σας επιτρέπει να δημιουργείτε, να χειρίζεστε και να βελτιστοποιείτε κβαντικά κυκλώματα πριν τα εκτελέσετε σε κβαντικούς υπολογιστές και προσομοιωτές.
Το Cirq είναι μια αποτελεσματική αφαίρεση για την αντιμετώπιση των σημερινών θορυβωδών κβαντικών υπολογιστών μέσης κλίμακας, όπου οι απαιτήσεις υλικού είναι κρίσιμες για την επίτευξη αποτελεσμάτων αιχμής.
Χαρακτηριστικά
- Από πύλες που λειτουργούν σε qubits, μπορείτε να μάθετε πώς να σχεδιάζετε κβαντικά κυκλώματα. Μάθετε τι είναι το Moment και πώς διάφορες τακτικές εισαγωγής μπορεί να σας βοηθήσουν στην κατασκευή του ιδανικού σας κυκλώματος. Μάθετε πώς να κόβετε σε φέτες και ζάρια κυκλώματα για να δημιουργήσετε νέα και βελτιωμένα κυκλώματα.
- Οι τεχνολογικοί περιορισμοί έχουν σημαντική επίδραση στο εάν ένα κύκλωμα μπορεί να εφαρμοστεί ή όχι σε σύγχρονο υλικό. Μάθετε πώς να προγραμματίζετε την υπηρεσία Quantum Computing της Google και πώς να δημιουργείτε συσκευές για την αντιμετώπιση αυτών των περιορισμών.
- Τόσο οι συναρτήσεις κύματος όσο και οι πίνακες πυκνότητας έχουν ενσωματωμένους προσομοιωτές στο Cirq. Μόντε Κάρλο ή προσομοιώσεις μήτρας πλήρους πυκνότητας μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αντιμετώπιση θορυβωδών κβαντικών καναλιών.
- Για την εκτέλεση δοκιμών στους κβαντικούς επεξεργαστές της Google, το Cirq συνεργάζεται με την Quantum Computing Service.
2. ProjectQ
Η ETH Zurich δημιούργησε το ProjectQ, μια αρχιτεκτονική λογισμικού κβαντικών υπολογιστών ανοιχτού κώδικα. Παρέχει ένα στιβαρό και απλό σύνταξη για τους χρήστες να δημιουργούν κβαντικές εφαρμογές στην Python. Το ProjectQ μπορεί στη συνέχεια να μετατρέψει αυτά τα σενάρια σε οποιαδήποτε μορφή back-end, είτε πρόκειται για κλασικό προσομοιωτή υπολογιστή είτε για κβαντικό επεξεργαστή.
Το ProjectQ μπορεί στη συνέχεια να μετατρέψει αυτές τις εφαρμογές σε οποιοδήποτε είδος back-end, όπως έναν κλασικό προσομοιωτή υπολογιστή ή έναν κβαντικό επεξεργαστή, όπως η πλατφόρμα Quantum Experience της IBM.
Χαρακτηριστικά
- Η πληροφορική είναι υψηλού επιπέδου γλώσσα προγραμματισμού για κβαντικά προγράμματα.
- Διαθέτει αρθρωτό και προσαρμόσιμο μεταγλωττιστή.
- Προσφέρει επίσης μια σειρά από backend υλικού και λογισμικού.
- Μια βιβλιοθήκη κβαντικών υπολογιστών (FermiLib) για την επίλυση φερμιονικών ζητημάτων
- Το τσιπ IBM Quantum Experience, οι συσκευές AQT, το AWS Braket και οι συσκευές που παρέχονται από την υπηρεσία IonQ μπορούν όλα να χρησιμοποιηθούν για την εκτέλεση κβαντικών αλγορίθμων.
- Σε ένα υψηλότερο επίπεδο αφαίρεσης, τα κβαντικά προγράμματα μπορούν να εξομοιωθούν (π.χ., μίμηση της δράσης μεγάλων χρησμών αντί να μεταγλωττιστούν σε πύλες χαμηλού επιπέδου)
- Σε κλασικούς υπολογιστές, τα κβαντικά προγράμματα μπορούν να προσομοιωθούν.
3. Tensoflow Quantum
Το πλαίσιο Python TensorFlow Quantum (TFQ) είναι για το κβαντικό μάθηση μηχανής. Το TFQ είναι ένα πλαίσιο εφαρμογής TensorFlow που επιτρέπει σε ερευνητές κβαντικού αλγόριθμου και μηχανικής μάθησης να χρησιμοποιούν τα πλαίσια κβαντικών υπολογιστών της Google απευθείας από το TensorFlow.
Το TensorFlow Quantum είναι ένα πρόγραμμα που εστιάζει στα κβαντικά δεδομένα και στη δημιουργία κβαντικών-κλασικών υβριδικών μοντέλων. Συνδυάζει τεχνικές κβαντικής υπολογιστικής και λογικής σχεδιασμένες από το Cirq με API TensorFlow, καθώς και προσομοιωτές κβαντικών κυκλωμάτων υψηλής απόδοσης.
Το πλαίσιο TFQ μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εκτέλεση τόσο παραδοσιακών όσο και υβριδικών μοντέλων, όπως το Quantum CNN (QCNN). Ως αποτέλεσμα, το TFQ μπορεί να χρησιμοποιηθεί για οποιοδήποτε πρόβλημα στο οποίο ήταν προηγουμένως αδύνατο να απαντηθεί χρησιμοποιώντας παραδοσιακές προσεγγίσεις. Για να απαντήσετε σε ορισμένα προβλήματα του πραγματικού κόσμου, ξεκινήστε με το TFQ για να δημιουργήσετε κβαντικά ή κβαντικά-κλασικά υβριδικά μοντέλα.
Χαρακτηριστικά
- Οι ερευνητές μπορούν να χρησιμοποιήσουν το TFQ για να δημιουργήσουν τανυστές χρησιμοποιώντας κβαντικά σύνολα δεδομένων, κβαντικά μοντέλα και συμβατικές παραμέτρους ελέγχου σε ένα ενιαίο υπολογιστικό δίκτυο.
- Οι τανυστές χρησιμοποιούνται για την αποθήκευση κβαντικών δεδομένων (μια πολυδιάστατη διάταξη αριθμών). Κάθε τανυστής κβαντικών δεδομένων περιγράφεται ως ένα κβαντικό κύκλωμα Cirq που δημιουργεί κβαντικά δεδομένα εν κινήσει.
- Ο ερευνητής μπορεί να χρησιμοποιήσει το Cirq για να πρωτοτυπήσει ένα κβάντο νευρικό σύστημα που θα συμπεριληφθεί αργότερα σε ένα υπολογιστικό γράφημα TensorFlow.
- Η ικανότητα ταυτόχρονης εκπαίδευσης και εκτέλεσης πολλών κβαντικών κυκλωμάτων είναι ένα σημαντικό χαρακτηριστικό του TensorFlow Quantum.
4. Percevel
Το Perceval είναι ένα πλαίσιο ανοιχτού κώδικα για τον προγραμματισμό φωτονικών κβαντικών υπολογιστών που αναπτύχθηκε από την Perceval, μια γαλλική επιχείρηση που εστιάζει στην κατασκευή μιας νέας γενιάς κβαντικών υπολογιστών που βασίζονται στη χειραγώγηση φωτός.
Το Perceval προσφέρει εργαλεία για τη σύνθεση κυκλωμάτων από γραμμικά οπτικά στοιχεία, τον ορισμό πηγών ενός φωτονίου, τον χειρισμό καταστάσεων Fock, την εκτέλεση κβαντικών προσομοιώσεων, την αναπαραγωγή δημοσιευμένων πειραματικών εγγράφων και τον πειραματισμό με μια νέα γενιά κβαντικών αλγορίθμων μέσω ενός απλού αντικειμενοστρεφούς Python API.
Στόχος του είναι να είναι ένα συνοδευτικό εργαλείο για την κατασκευή κβαντικών φωτονικών κυκλωμάτων — για την προσομοίωση και τη βελτίωση του σχεδιασμού τους, τη μοντελοποίηση της ιδανικής και της πραγματικής συμπεριφοράς και την προσφορά μιας τυποποιημένης διεπαφής για τον έλεγχό τους μέσω της έννοιας των backends.
Είναι βελτιστοποιημένο για λειτουργία σε τοπική επιφάνεια εργασίας, με πολλές βελτιώσεις για συστάδες HPC και παρέχει πρόσβαση σε εξελιγμένα backend για αριθμητική και συμβολική προσομοίωση κβαντικών αλγορίθμων σε φωτονικά κυκλώματα.
Μπορείτε επίσης να χρησιμοποιήσετε έναν μεγάλο αριθμό προκατασκευασμένων εξαρτημάτων για τη δημιουργία αλγορίθμων και πολύπλοκων γραμμικών οπτικών κυκλωμάτων. Μια βιβλιοθήκη γνωστών αλγορίθμων είναι προσβάσιμη, καθώς και μαθήματα για τη χρήση τους.
Μπορείτε επίσης να χρησιμοποιήσετε μερικές γραμμές κώδικα για να εκτελέσετε πειράματα για να τελειοποιήσετε τους αλγόριθμους, να συγκρίνετε με πειραματικά δεδομένα και να αναδημιουργήσετε δημοσιευμένες δημοσιεύσεις.
Χαρακτηριστικά
- Μια μοναδική αρχιτεκτονική αφιερωμένη αποκλειστικά στη γραμμική οπτική και στους φωτονικούς κβαντικούς υπολογιστές
- Το έργο είναι ένα έργο ανοιχτού κώδικα με αρθρωτή αρχιτεκτονική που καλωσορίζει τις συνεισφορές της κοινότητας.
- Χρησιμοποιώντας μια τεράστια βιβλιοθήκη προκατασκευασμένων εξαρτημάτων, δημιουργήστε αλγόριθμους και πολύπλοκα κυκλώματα γραμμικής οπτικής. Μια βιβλιοθήκη γνωστών αλγορίθμων είναι προσβάσιμη, καθώς και μαθήματα για τη χρήση τους.
- Πειραματιστείτε με αλγόριθμους για να τους ρυθμίσετε με ακρίβεια, συγκρίνετε τους με πειραματικά δεδομένα και αντιγράψτε υπάρχουσες δημοσιεύσεις σε λίγες γραμμές κώδικα.
- Για να προσομοιώσετε κβαντικούς αλγόριθμους σε φωτονικά κυκλώματα, χρησιμοποιήστε εξελιγμένα backends. Το Perceval έχει σχεδιαστεί για να εκτελείται σε τοπική επιφάνεια εργασίας τόσο από άποψη αριθμητικής όσο και συμβολικής απόδοσης, με πολλές βελτιώσεις για συμπλέγματα HPC.
5. Qiskit
Γνωρίζουμε ότι αν μιλάμε για τεχνολογία επόμενης γενιάς, η IBM θα έχει κάτι να προσφέρει. Σίγουρα το κάνει. QisKit είναι μια πλατφόρμα ανοιχτού κώδικα για την ανάπτυξη κβαντικού λογισμικού.
Το Qiskit είναι ένα πλαίσιο λογισμικού που χρηματοδοτείται από την IBM και διευκολύνει τους χρήστες να μάθουν κβαντική υπολογιστική. Επειδή οι κβαντικοί υπολογιστές είναι δύσκολο να βρεθούν, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε έναν πάροχο cloud όπως το κιτ εργαλείων Qiskit της IBM για να αποκτήσετε πρόσβαση σε έναν.
Είναι εντελώς δωρεάν στη χρήση, και όλος ο κώδικας είναι ανοικτού κώδικα. Υπάρχει ένα ηλεκτρονικό εγχειρίδιο που σας διδάσκει όλες τις βασικές αρχές της κβαντικής φυσικής, το οποίο είναι πολύ χρήσιμο για αρχάριους που δεν είναι εξοικειωμένοι με το θέμα.
Οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε επίπεδο παλμών, κυκλωμάτων και μονάδων εφαρμογής.
Χαρακτηριστικά
- Οι χρήστες διαφόρων επιπέδων μπορούν να χρησιμοποιήσουν το Qiskit για έρευνα και ανάπτυξη εφαρμογών, επειδή συνοδεύεται από μια πλήρη συλλογή κβαντικών πυλών και μια σειρά από προκατασκευασμένα κυκλώματα.
- Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε το Qiskit Runtime για να συντονίσετε κβαντικές εφαρμογές σε CPU, QPU και GPU που βασίζονται σε cloud, καθώς και για εκτέλεση και προγραμματισμό δραστηριοτήτων σε πραγματικούς κβαντικούς επεξεργαστές.
- Ο μετατροπέας μετατρέπει τον κώδικα Qiskit σε ένα αποτελεσματικό κύκλωμα χρησιμοποιώντας το εγγενές σύνολο πυλών του backend, επιτρέποντας στους χρήστες να σχεδιάζουν για οποιονδήποτε κβαντικό επεξεργαστή ή αρχιτεκτονική με ελάχιστες εισόδους.
Συμπέρασμα
Συνοψίζοντας, οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να διεισδύσουν γρήγορα στις σημερινές τεχνικές κρυπτογράφησης σε σύντομο χρονικό διάστημα, ενώ ο μεγαλύτερος προσβάσιμος υπερυπολογιστής χρειάζεται τώρα χρόνια.
Παρά το γεγονός ότι οι κβαντικοί υπολογιστές θα είναι ικανοί να σπάσουν πολλά από τα σημερινά σχήματα κρυπτογράφησης, αναμένεται ότι θα αναπτύξουν εναλλακτικές λύσεις που να προστατεύονται από το hack. Οι κβαντικοί υπολογιστές είναι φανταστικοί στην αντιμετώπιση προβλημάτων βελτιστοποίησης.
Αφήστε μια απάντηση