Kvantarvuti on uudne tehnoloogia, mis kasutab kvantfüüsikat selliste probleemide lahendamiseks, mis traditsiooniliste arvutite võimalused ületavad.
Paljud ettevõtted püüavad praegu teha tegelikku kvantriistvara kättesaadavaks kümnetele tuhandetele arendajatele – tööriista, millest teadlased kolm aastakümmet tagasi vaid unistasid.
Selle tulemusena võtavad meie insenerid sageli kasutusele üha võimsamad ülijuhtivad kvantarvutid, mis toovad meid lähemale kvantarvutite kiirusele ja võimsusele, mis on vajalik maailma muutmiseks.
Selles postituses vaatame lähemalt kvantarvutus ja sellega kaasnevad tööriistad ja raamistikud, samuti nende asukoht 2022. aastal.
Mis on kvantarvutus?
Need superarvutid on üles ehitatud superpositsiooni ja põimumise põhimõtetele, mis on kvantfüüsika kaks aspekti. Kvantarvutid saavad nüüd teha ülesandeid kiirusega, mis on suurusjärgus kiirem kui traditsioonilised arvutid, kasutades palju vähem energiat.
1980. aastatel kerkis esile kvantarvutite valdkond. Seejärel selgus, et kvantalgoritmid olid teatud arvutiülesannete lahendamisel tõhusamad kui nende tavapärased ekvivalendid.
Kvantarvuti on arvutiteaduse distsipliin, mis keskendub kvantteooria kontseptsioonidel põhineva arvutitehnoloogia edendamisele. See kasutab ära subatomaarsete osakeste erakordset võimet eksisteerida korraga mitmes olekus, näiteks 0 ja 1. Nad on võimelised töötlema tunduvalt rohkem andmeid kui tavalised arvutid.
Üksuse kvantolekut kasutatakse kvantarvutustoimingutes kubiti loomiseks. Kubitid on kvantarvutuse põhiandmeühikud. Kvantarvutuses täidavad nad sama tööd, mida bitid tavalises andmetöötluses, kuid käituvad üsna erinevalt.
Traditsioonilised bitid on binaarsed ja võivad säilitada ainult positsiooni 0 või 1, samas kui kubitid võivad sisaldada kõigi võimalike olekute superpositsiooni.
Parimad kvantarvutite raamistikud
1. Tsirq
Cirqi ehitas Google'i Quantum AI meeskond. Seda kasutatakse kvantlülituste kavandamiseks ja täiustamiseks, mida seejärel kvantarvutites ja simulaatorites testitakse. Cirq on fantastiline, kuna pakub arendussimulaatoreid, mis on üsna sarnased päriselus nähtutega.
See tähendab, et raamatukogu töötab läbi NISQ-d (Noisy Intermediate-Scale Quantum) ümbritseva riistvara üksikasjad, et saaksime olla kindlad, et algoritmi või vooluringi saab pärast selle lõppu käivitada päris kvantarvutis.
Selle tulemusena saab seda ära kasutada adaptiivsete ja kasutuselevõetavate kvantahelate loomiseks. Sellel on ka koostalitlusvõime funktsioonid. Tarkvara, mis impordib ja ekspordib näiteks kvantlülitusi ja simulatsioone.
Raamistik avatud lähtekoodiga kvantarvutite programmeerimiseks. Cirq on a Python tarkvarapakett, mis võimaldab luua, manipuleerida ja optimeerida kvantlülitusi enne nende käivitamist kvantarvutites ja simulaatorites.
Cirq on tõhus abstraktsioon tänapäevaste mürarikaste keskmise mastaabiga kvantarvutitega tegelemiseks, kus riistvaranõuded on tipptasemel tulemuste saavutamiseks üliolulised.
FUNKTSIOONID
- Kubitidel töötavatest väravatest saate õppida kvantahelate kavandamist. Siit saate teada, mis on hetk ja kuidas erinevad sisestamistaktikad võivad aidata teil ideaalset vooluringi luua. Õppige ahelaid viilutama ja tükeldama, et luua uusi ja täiustatud skeeme.
- Tehnoloogilistel piirangutel on oluline mõju sellele, kas vooluahelat saab tänapäevasel riistvaral rakendada või mitte. Siit saate teada, kuidas programmeerida Google'i kvantarvutusteenust ja kuidas luua seadmeid nende piirangutega toimetulemiseks.
- Nii lainefunktsioonidel kui ka tihedusmaatriksitel on Cirqis sisseehitatud simulaatorid. Mürakate kvantkanalite lahendamiseks saab kasutada Monte Carlo või täistihedusega maatriksi simulatsioone.
- Google'i kvantprotsessorite testide läbiviimiseks teeb Cirq koostööd Quantum Computing Service'iga.
2. ProjectQ
ETH Zurich lõi ProjectQ, avatud lähtekoodiga kvantarvutustarkvara arhitektuuri. See tagab tugeva ja sirgjoonelise süntaks et kasutajad saaksid Pythonis kvantrakendusi luua. ProjectQ saab seejärel need skriptid teisendada mis tahes taustasüsteemiks, olgu selleks siis klassikaline arvutisimulaator või kvantprotsessor.
ProjectQ saab seejärel need rakendused teisendada mis tahes taustaseadmeteks, näiteks klassikaliseks arvutisimulaatoriks või kvantprotsessoriks, nagu IBM Quantum Experience platvorm.
FUNKTSIOONID
- IT on kõrgel tasemel programmeerimiskeel kvantprogrammide jaoks.
- Sellel on modulaarne ja kohandatav kompilaator.
- Samuti pakub see mitmeid riist- ja tarkvara taustaprogramme.
- Kvantarvuti raamatukogu (FermiLib) fermiooniliste probleemide lahendamiseks
- Kvantalgoritmide käitamiseks saab kasutada IBM Quantum Experience kiipi, AQT seadmeid, AWS Braketit ja IonQ teenusepakkuvaid seadmeid.
- Kõrgemal abstraktsioonitasemel saab kvantprogramme emuleerida (nt matkida suurte oraaklite tegevust, selle asemel et kompileerida need madala taseme väravatele)
- Klassikalistes arvutites saab kvantprogramme simuleerida.
3. Tensoflow Quantum
Pythoni raamistik TensorFlow Quantum (TFQ) on mõeldud kvantide jaoks masinõpe. TFQ on TensorFlow rakendusraamistik, mis võimaldab kvantalgoritmi ja masinõppe uurijatel kasutada Google'i kvantarvutusraamistikke otse TensorFlow'st.
TensorFlow Quantum on programm, mis keskendub kvantandmetele ja kvantklassikaliste hübriidmudelite loomisele. See ühendab Cirqi loodud kvantarvutustehnikad ja loogika TensorFlow API-dega, aga ka suure jõudlusega kvantahela simulaatoritega.
TFQ raamistikku saab kasutada nii traditsiooniliste kui ka hübriidmudelite, näiteks Quantum CNN (QCNN) käitamiseks. Selle tulemusena saab TFQ-d kasutada mis tahes probleemi puhul, millele varem oli traditsiooniliste lähenemisviiside abil võimatu vastata. Teatud reaalmaailma probleemidele vastamiseks alustage kvant- või kvantklassikaliste hübriidmudelite loomiseks TFQ-st.
FUNKTSIOONID
- Teadlased saavad kasutada TFQ-d, et luua tensoreid, kasutades kvantandmekogumeid, kvantmudeleid ja tavapäraseid juhtimisparameetreid ühes arvutusvõrgus.
- Tensoreid kasutatakse kvantandmete (mitmemõõtmeline arvude massiiv) salvestamiseks. Iga kvantandmete tensorit kirjeldatakse kui Cirqi kvantahelat, mis loob lennult kvantandmeid.
- Teadlane saab kasutada Cirqi kvanti prototüüpimiseks Närvivõrgus mis lisatakse hiljem TensorFlow arvutusgraafikule.
- TensorFlow Quantumi peamine omadus on võime samaaegselt treenida ja teostada arvukalt kvantahelaid.
4. Percevel
Perceval on avatud lähtekoodiga raamistik fotooniliste kvantarvutite programmeerimiseks, mille on välja töötanud Prantsuse ettevõte Perceval, mis keskendub valguse manipuleerimisel põhinevate uue põlvkonna kvantarvutite ehitamisele.
Perceval pakub tööriistu lineaarsetest optilistest komponentidest vooluringide koostamiseks, ühe footoni allikate määratlemiseks, Focki olekute manipuleerimiseks, kvantsimulatsioonide käivitamiseks, avaldatud eksperimentaaltööde reprodutseerimiseks ja uue põlvkonna kvantalgoritmidega katsetamiseks lihtsa objektorienteeritud Pythoni API kaudu.
Selle eesmärk on olla kaastööriist kvantfotooniliste vooluahelate ehitamisel – nende disaini simuleerimiseks ja täiustamiseks, nii ideaalse kui ka tegeliku käitumise modelleerimiseks ning standardiseeritud liidese pakkumiseks nende juhtimiseks taustaprogrammide kaudu.
See on optimeeritud töötama kohalikul töölaual koos paljude HPC-klastrite täiustustega ja pakub juurdepääsu keerukatele taustaprogrammidele kvantalgoritmide arvuliseks ja sümboolseks simuleerimiseks fotoonilistes ahelates.
Algoritmide ja keeruliste lineaarsete optiliste ahelate loomiseks saate kasutada ka suurt hulka kokkupandavaid komponente. Juurdepääs on tuntud algoritmide raamatukogule ja nende kasutamise õppetundidele.
Võite kasutada ka mõnda koodirida eksperimentide läbiviimiseks algoritmide täpsustamiseks, eksperimentaalsete andmetega võrdlemiseks ja avaldatud väljaannete taasloomiseks.
FUNKTSIOONID
- Ainulaadne arhitektuur, mis on täielikult pühendatud lineaarsele optikale ja fotoonilisele kvantarvutamisele
- Projekt on modulaarse arhitektuuriga avatud lähtekoodiga projekt, mis tervitab kogukonna panust.
- Kasutades tohutut kokkupandavate komponentide raamatukogu, looge algoritme ja keerulisi lineaarseid optikaahelaid. Juurdepääs on tuntud algoritmide raamatukogule ja nende kasutamise õppetundidele.
- Nende täpsustamiseks katsetage algoritmidega, võrrelge neid katseandmetega ja kopeerige olemasolevaid väljaandeid mõne koodireal.
- Fotooniliste ahelate kvantalgoritmide jäljendamiseks kasutage keerukaid taustaprogramme. Perceval on loodud töötama kohalikul töölaual nii numbrilise kui ka sümboolse jõudluse osas, koos paljude HPC-klastrite täiustustega.
5. Qiskit
Teame, et kui räägime järgmise põlvkonna tehnoloogiast, on IBMil midagi pakkuda. Kindlasti teeb. QisKit on avatud lähtekoodiga platvorm kvanttarkvara arendamiseks.
Qiskit on IBM-i rahastatav tarkvararaamistik, mis muudab kasutajate õppimise lihtsamaks kvantarvutus. Kuna kvantarvuteid on raske leida, saate sellele juurdepääsu saamiseks kasutada pilveteenuse pakkujat, näiteks IBMi Qiskiti tööriistakomplekti.
Selle kasutamine on täiesti tasuta ja kogu kood on olemas avatud lähtekoodiga. Internetis on õpik, mis õpetab teile kõiki kvantfüüsika põhialuseid, mis on väga kasulik algajatele, kes pole selle teemaga kursis.
Kvantarvuteid saab kasutada impulsside, vooluahelate ja rakendusmoodulite tasemel.
FUNKTSIOONID
- Erinevate tasemete kasutajad saavad Qiskitit kasutada uurimistööks ja rakenduste arendamiseks, kuna sellega on kaasas täielik kvantväravate kollektsioon ja hulk eelehitatud vooluringe.
- Qiskit Runtime'i saate kasutada pilvepõhiste CPU-de, QPU-de ja GPU-de kvantrakenduste koordineerimiseks ning tegelikel kvantprotsessoritel tegevuste käitamiseks ja ajastamiseks.
- Transpiler teisendab Qiskiti koodi tõhusaks vooluringiks, kasutades taustasüsteemi algset väravakomplekti, võimaldades kasutajatel kujundada mis tahes kvantprotsessori või arhitektuuri jaoks minimaalse sisendiga.
Järeldus
Kokkuvõtteks võib öelda, et kvantarvutid suudavad lühikese aja jooksul kiiresti tungida tänapäevaste krüpteerimistehnikate juurde, samas kui suurim ligipääsetav superarvuti võtab aega aastaid.
Hoolimata asjaolust, et kvantarvutid on suutelised murdma paljusid tänapäevaseid krüpteerimisskeeme, loodetakse, et nad arendavad häkkimiskindlaid alternatiive. Kvantarvutid on optimeerimisprobleemide lahendamisel suurepärased.
Jäta vastus