Edukien aurkibidea[Ezkutatu][Erakutsi]
Inoiz baino azkarrago, mundua aldatzen ari da aldaketa digitalaren ondorioz.
Gaur egungo paradigmak abiadura eta potentzia harrigarriz aldatzeko gai den beste teknologia-olatu berri baten etorrerarekin batera: konputazio kuantikoa, aro digitalaren oinarrizko ideiak ulertzea are garrantzitsuagoa izango da.
Konputazio kuantikoa izeneko teknika aurreratu batek fisika kuantikoa erabiltzen du ohiko ordenagailuen esparrutik kanpo dauden arazoak ebazteko.
Teoria kuantikoaren printzipioek materiak eta energiak eskala atomiko eta azpiatomikoan nola jokatzen duten erakusten dute, eta IBMren Qiskit software kuantikoa garatzeko kode irekiko kit bat da, konputazio kuantikoko sistemak sortzen laguntzen duena.
Artikulu honek hau azaldu nahi du eta konputazio kuantikoaren ikuspegi orokorra eskaintzen dizu.
Gure irakurleei kode irekiko konputazio kuantiko baten laguntzaz azalduko diegu SDK, alegia. Qiskit eta utzi arakatzen erabiliz Jupyter Koadernoak IBM Quantum Lab-en antolatuta.
Zer da Informatika Kuantikoa?
Informatika kuantikoa informatikaren adar bat da, teoria kuantikoko ideiak erabiliz informatika-teknologia garatzean oinarritzen dena.
Partikula subatomikoen aparteko ahalmena aprobetxatzen du egoera askotan aldi berean egoteko, hala nola 0 eta 1ean.
Ordenagailu arruntek baino askoz datu gehiago prozesatzeko gai dira.
Konputazio kuantikoko prozesuetan, qubit bat objektu baten egoera kuantikoa erabiliz egiten da. Konputazio kuantikoan funtsezko informazioa qubitak dira.
Konputazio konbentzionalean biten funtzio bera betetzen dute konputazio kuantikoan, baina nahiko ezberdin jokatzen dute. Konputazio kuantikoa 1980ko hamarkadan sortu zen arloa da.
Orduan aurkitu zen algoritmo kuantikoak eraginkorragoak zirela ordenagailu-zeregin batzuk egiteko haien pareko klasikoak baino.
Superposizioa eta korapilazioa, fisika kuantikoko bi kontzeptu, dira superordenagailu hauek oinarritzen diren oinarriak.
Ordenagailu konbentzionalekin alderatuta, gaur egun ordenagailu kuantikoek lan handiago ordenak egin ditzakete, energia askoz gutxiago kontsumitzen duten bitartean.
Ordenagailu kuantikoen funtzionamenduari ekin behar diogu guztiz ulertu ahal izateko. Has gaitezen orain.
Nola funtzionatzen du benetan ordenagailu kuantiko batek?
Ohituta gauden ordenagailu tradizionalekin alderatuta, ordenagailu kuantikoek arazoen ebazpena modu ezberdinean planteatzen dute. Zeregin batzuetarako, ordenagailu kuantikoak hobeak dira hainbat modutan ohikoak baino.
Egoera askotan aldi berean egoteko gaitasuna dela uste da. Bestalde, ohiko ordenagailuak egoera bakarrean egon daitezke aldi berean.
Ordenagailu kuantikoak nola funtzionatzen duten ulertzeko hiru kontzeptu gako ulertu behar dituzu:
- Gainjartzea.
- Korapilatzea.
- Interferentzia.
gainjartze
Bit-ak ordenagailu tradizionalen oinarrizko osagaiak dira. Bit kuantikoak edo Qubitak ordenagailu kuantikoen oinarrizko unitateak dira.
Funtsean, bit kuantikoek modu ezberdinean funtzionatzen dute. Bit bitarra, batzuetan bit tradizional gisa ezagutzen dena, 0 edo 1 izan daitekeen etengailua da.
Bitaren uneko egoera itzuli egiten dugu neurtzen dugunean. Qubitak honen salbuespena dira. Qubitak hiru dimentsiotan adierazitako geziekin aldera daitezke.
0 baldintzetan daude gora seinalatzen badute. 1 egoeran daude beherantz seinalatzen badute. Gauza bera gertatzen da bit klasikoekin.
Hala ere, gainjartze egoeran egotea ere aukeratu dezakete.
Gezi bat beste edozein norabidetan seinalatzen duen egoeran dago. 0 eta 1 gainjartzeak egoera hau sortzen du. Qubit batek oraindik 1 edo 0 bat sortuko du emaitza gisa neurtzen denean.
Hala ere, geziaren orientazioak garrantzitsua den probabilitatea zehazten du.
Geziak batez ere beherantz zuzentzen badu eta 1 bat jasotzeko aukera gehiago izango duzu gorantz.
Bakoitzaren % 50eko aukera izango duzu irabazteko gezia erdian badago. Laburbilduz, gainjartzea da.
entanglement
Ordenagailu tradizionaletako bitak bata bestearengandik independenteak dira. Bit baten egoerak ez du zerikusirik beste bitaren egoerarekin.
Ordenagailu kuantikoetako qubitak elkarren artean korapilatu daitezke. Horrek esan nahi du egoera kuantiko handi bakar batean batzen direla.
Argibide gisa, kontuan hartu gainezarpen egoera ezberdinetan dauden baina oraindik korapilatuta ez dauden bi qubit. Une honetan, haien probabilitatea ez da bata bestearengan oinarritzen.
Korapilatzen ditugunean, probabilitate independente horiek baztertu eta ihes egin ditzakegun egoera alternatibo guztien probabilitateak zehaztu behar ditugu, hots, 00, 01, 10 eta 11.
Sistema osoaren probabilitate banaketa aldatu egiten da qubit bateko geziaren norabidea aldatzen bada, qubitak korapilatuta daudelako.
Qubitek elkarrengandik duten independentzia galdu egin da. Horietako bakoitza egoera handi bereko osagaia da. Ez dio axola zenbat qubit dituzun, hala da oraindik.
2n egoeren konbinazio posible bat dago n qubit dituen ordenagailu kuantiko baterako.
Bi egoeratan probabilitate banaketa duzu, adibidez, qubit baterako. Probabilitate-banaketa bat duzu lau egoeratan bi qubitetarako, etab. Ordenagailu klasikoen eta kuantikoen arteko bereizketa nagusia hau da.
Ordenagailu klasikoak aukeratzen duzun edozein egoeratan jar ditzakezu, baina aldi berean bakarra. Egoera horiek guztiak aldi berean egon daitezke ordenagailu kuantikoetan gainjartze gisa.
Nola onura dezake ordenagailuak estatu horietan guztietan egoteak? Interferentziaren azken elementua puntu honetan sartzen da.
Interferentzia
Uhin-funtzio kuantikoa erabil daiteke qubit baten egoera deskribatzeko.
Fisika kuantikoan dagoen guztiaren oinarrizko deskribapen matematikoa uhin-funtzioek ematen dute.
Qubit asko korapilatzen direnean, haien banakako uhin-funtzioak elkarrekin konbinatzen dira ordenagailu kuantikoaren egoera orokorra deskribatzen duen uhin-funtzio bakarra osatzeko.
Interferentziak uhin-funtzio hauek batutzearen emaitza da. Uhinak batzen direnean, modu konstruktiboan elkarreragin eta konbinatu daitezke olatu handiagoa sortzeko, ur-uhinek egiten duten bezala.
Era berean, modu suntsitzailean elkarreragin dezakete elkarri aurre egiteko. Hainbat egoeraren probabilitate anitza ordenagailu kuantikoaren uhin-funtzio orokorrak zehazten du.
Ordenagailu kuantikoa neurtzen dugunean egoera jakin batzuk agertzeko probabilitatea alda dezakegu hainbat qubiten egoerak aldatuz.
Ordenagailu kuantikoa aldi berean hainbat egoeratan egon daitekeen arren, neurketak egoera horietako bat baino ez du agerian uzten.
Hori dela eta, konputazio-lan bat burutzeko ordenagailu kuantikoa erabiltzen den bitartean, interferentzia eraikitzailea behar da erantzun zuzena jasotzeko probabilitatea handitzeko eta interferentzia suntsitzaileak okerra jasotzeko probabilitatea murrizteko.
Orain, has gaitezen Qiskit-ekin.
Zer da Qiskit?
Qiskit IBMk finantzatutako software-esparru bat da, edonor informatika kuantikoaren eremuan sartzea errazteko diseinatua.
Ordenagailu kuantikoak eskuratzea zaila denez, hodeiko hornitzaile baten bidez lor dezakezu, IBM adibidez, Qiskit tresna-kutxa erabiliz.
Doan dago eskuragarri, eta bere kode guztia dago kode irekiko.
Badago bat sareko testuliburua horrek fisika kuantikoaren oinarri guztiak irakasten dizkizu, eta hori oso erabilgarria da gaia ezagutzen ez dutenentzat. Python Qiskit tresna-kit garatzeko erabiltzen da.
Beraz, Python programazio-lengoaia ezagutzen baduzu, kode asko ezagutuko dituzu.
Software markoa egokia da nahi dutenentzat konputazio kuantikoaz ikasi esperientzia praktikoa ere lortuz.
Qiskit-en alderdirik funtsezkoena bi fasetan funtzionatzen duela da. Urratsetako bat eraikuntza-etapa da, eta bertan hainbat zirkuitu kuantiko sortzen ditugu eta zirkuitu horiek erabiltzen ditugu arazoa konpontzeko.
Ondoren, eraikuntza-fasea amaitu edo konponbidera iritsi ondoren, hurrengo fasera igaroko gara, hau da, exekuzio-etapa izenez ezagutzen dena, zeinean gure eraikuntza edo soluzioa atzealde ezberdinetan exekutatzen saiatzen gara (bektore egoera, backend unitarioa, irekia). ASM backend), eta exekuzioa amaitu ondoren, eraikuntzako datuak prozesatzen ditugu nahi den irteerarako.
Qiskit-ekin hastea
Zure ordenagailu pertsonalean edo IBMk hartzen duen Jupyter Koadernoan, lokalean instala dezakezu. Idatzi kodea Windows ordenagailu batean lokalean instalatzeko:
Hemen erregistratu behar dugu IBMren gailu kuantikoak erabiltzeko aukera ematen digun API tokenera sartzeko, eta, ondoren, konpainiaren webgunearekin lanean has gaitezke. Imajina dezakezu hori egiten, linean exekutatzen den Qiskit-ek instalatutako Jupyter Notebook erabiliz.
Sar zaitezke orriaren goiko eskuineko izkinan dagoen menuan zure Profila hautatuta eta, ondoren, Kontuaren informazioa hautatuta. Zure API tokena API token atalean aurki dezakezu *** forman. Kopiatu egiten da eta, ondoren, kode honetan sartzen da:
Kode hau exekutatu ondoren, zure API tokena zure ordenagailuan gordeko da, IBMren gailu kuantikoak erabiltzeko aukera emanez. Idatzi honako gailu batera sartzeko aukera duzun zehazteko:
Aipatutako kodea exekutatzen bada, kodea exekutatu ahal izango zenuke zure ordenagailuan ez ezik, baita integratutako zirkuitu kuantikoak IBMren gailu kuantikoetara bidaliz eta emaitzak jasoz ere.
Beraz, zirkuituen liburutegia erabiliz, gure lehen algoritmo kuantikoa garatzen has gaitezke. Qiskit-etik funtsezko mendekotasunak gure proiektuan inportatzen hasten gara.
Ondoren, bi qubiteko erregistro kuantikoa eta bi biteko erregistro konbentzionala eraikitzen ditugu.
Beraz, orain erregistro klasikoa eta kuantikoa ezarrita ditugu. Bi horiek erabiliz, zirkuitua eraiki dezakegu eta, zirkuituaren aldaketan zehar, zirkuitu kuantikoa nolakoa den zirriborratu nahi baduzu, idatzi honako kodea:
Irudian ikus dezakegu zirkuitua bi bit kuantikoz eta bi bit klasikoz osatuta dagoela.
Dena den, zirkuitu honek aterik falta du, interesik gabekoa da. Orain eraiki dezagun zirkuitua ate kuantikoak erabiliz. Klasikoa bezala ate logikoak (ETA, EDO ateak) zirkuitu digital normaletarako dira, ate kuantikoak zirkuitu kuantikoen oinarrizko osagaiak dira.
Hadamard atea lehen qubit-ari aplikatzea entanglementa sortzeko lehen urratsa da. Ondoren, hurrengo kodea erabiliz, bi qubit kontrolatutako x eragiketa gehituko dugu:
Orain bi operadore hauek gure zirkuitu kuantikoa eraikitzeko erabili direnez, bit kuantikoak (qubits) neurtzeko garaia da, neurri horiek hartu eta bit klasikoetan gordetzeko. Sor dezagun hori lortzeko beharrezko kodea:
Beheko diagraman gure zirkuituaren diseinua irudikatzen da:
Ondoren, zirkuitua ohiko ordenagailu-simulagailu batean exekutatu behar da. Zirkuitua osatu da. Eta aztertu exekuzio horren emaitzak.
Zirkuitu hori egitean lortutako informazioa emaitza aldagaian gordetzen da. Bistaratu ditzagun emaitza hauek grafikoaren histograma erabiliz.
Hori da gure zirkuitu kuantikoa martxan jartzen dugunean gertatzen dena. 00 eta 11 zenbakietarako, %50 inguruko probabilitateak jasotzen ditugu. Zure hasierako ordenagailu kuantikoko zirkuitua eraiki zen. Zorionak!
Qiskit Informatika Kuantikoaren aplikazioak
Qiskit Finantza
Qiskit Finance-k tresna eta aplikazio erakusgarrien bilduma eskaintzen du. Horien artean daude Ising itzultzaileak zorroa optimizatzeko, datu-hornitzaileak benetako edo ausazko datuetarako, eta hainbat finantza-aukera edo kreditu-arriskuaren ebaluazioak prezioak egiteko inplementazioak.
Qiskit Natura
bezalako aplikazioak proteina-tolesketa eta egitura elektroniko/bibronikoa Qiskit Nature-k onartzen ditu egoera kitzikatuetarako zein oinarrizkoetarako konputazioak.
Kode klasikoak konektatzeko eta ordenagailu kuantikoek behar dituzten irudikapen desberdinetara automatikoki bihurtzeko behar diren zati guztiak eskaintzen ditu.
Qiskit Machine Learning
Quantum makina ikaskuntza hainbat arazo konpontzeko erabiltzen dituzten metodoak, hala nola, erregresioa eta sailkapena, Qiskit Machine Learning-ek eskaintzen ditu, baita oinarrizko nukleo kuantikoak eta sare neuronal kuantikoak (QNN) ere.
Gainera, QNNak PyTorch-ekin konektatzea ahalbidetzen du, elementu kuantikoak eragiketa klasikoetan sartzeko.
Qiskit Optimizazioa
Qiskit Optimization-k optimizazio-zerbitzuen espektro osoa eskaintzen du, optimizazio-arazoen goi-mailako modelizazioa barne, arazoen itzulpen automatizatua behar diren hainbat irudikapenetara eta optimizazio kuantikoko metodo sinpleen bilduma.
Ondorioa
Ondorioz, orain eskuragarri dagoen superordenagailurik azkarrenak urteak behar dituen arren, ordenagailu kuantikoek gaur egungo enkriptazio metodoak azkar hautsi ditzakete.
Ordenagailu kuantikoek gaur egun erabiltzen diren enkriptazio-teknika asko hautsi ahal izango dituzten arren, hack-froga ordezkoak sortuko dituztela aurreikusten da.
Arazoak optimizatzea ordenagailu kuantikoen indargune bat da. Xehetasun gehiago lortzeko, mesedez bisitatu Qiskit GitHub.
Utzi erantzun bat