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Plus rapidement que jamais, le monde change en raison du changement numérique.
Avec l'avènement imminent d'une autre toute nouvelle vague technologique capable de modifier radicalement les paradigmes actuels avec une vitesse et une puissance étonnantes : l'informatique quantique, la compréhension des idées fondamentales de l'ère numérique deviendra encore plus importante.
Une technique révolutionnaire appelée informatique quantique utilise la physique quantique pour résoudre des problèmes qui dépassent la portée des ordinateurs conventionnels.
Les principes de la théorie quantique montrent comment la matière et l'énergie se comportent aux échelles atomique et subatomique, et le Qiskit d'IBM est un kit de développement de logiciel quantique open source qui aide à créer des systèmes informatiques quantiques.
Cet article vise à expliquer cela et à vous donner un aperçu de l'informatique quantique.
Nous expliquerons à nos lecteurs à l'aide d'un ordinateur quantique open-source SDK, c'est à dire. Qiskit et laissez-les explorer en utilisant Carnets de Jupyter hébergé à IBM Quantum Lab.
Qu'est-ce que l'informatique quantique?
L'informatique quantique est une branche de l'informatique qui se concentre sur le développement de la technologie informatique en utilisant des idées de la théorie quantique.
Il tire parti de la capacité exceptionnelle des particules subatomiques à exister simultanément dans de nombreux états, tels que 0 et 1.
Ils sont capables de traiter beaucoup plus de données que les ordinateurs ordinaires.
Dans les processus informatiques quantiques, un qubit est créé en utilisant l'état quantique d'un objet. Les informations essentielles en informatique quantique sont les qubits.
Ils remplissent la même fonction que les bits en informatique conventionnelle en informatique quantique, mais ils agissent de manière très différente. L'informatique quantique est un domaine qui a émergé dans les années 1980.
Ensuite, il a été découvert que les algorithmes quantiques étaient plus efficaces pour effectuer certaines tâches informatiques que leurs homologues classiques.
La superposition et l'intrication, deux concepts issus de la physique quantique, sont les fondements sur lesquels reposent ces supercalculateurs.
Par rapport aux ordinateurs conventionnels, les ordinateurs quantiques peuvent actuellement effectuer des tâches beaucoup plus rapidement tout en consommant beaucoup moins d'énergie.
Il faut passer au fonctionnement des ordinateurs quantiques pour bien le comprendre. Commençons maintenant.
Comment fonctionne vraiment un ordinateur quantique ?
Par rapport aux ordinateurs traditionnels auxquels nous sommes habitués, les ordinateurs quantiques abordent la résolution de problèmes différemment. Pour certaines tâches, les ordinateurs quantiques sont préférables aux ordinateurs traditionnels à bien des égards.
On pense que leur capacité à exister dans de nombreux états à la fois en est la cause. D'autre part, les ordinateurs conventionnels ne peuvent être que dans un seul état à la fois.
Il y a trois concepts clés que vous devez comprendre afin de comprendre le fonctionnement des ordinateurs quantiques :
- Superposition.
- Enchevêtrement.
- Ingérence.
Superposition
Les bits sont les composants fondamentaux des ordinateurs traditionnels. Les bits quantiques, ou Qubits, sont les unités de base des ordinateurs quantiques.
Fondamentalement, les bits quantiques fonctionnent différemment. Un bit binaire, parfois appelé bit traditionnel, est un commutateur qui peut être un 0 ou un 1.
Nous recevons l'état actuel du bit lorsque nous le mesurons. Les Qubits sont une exception à cela. Les qubits peuvent être comparés à des flèches pointant en trois dimensions.
Ils sont dans les conditions 0 s'ils pointent vers le haut. Ils sont à l'état 1 s'ils pointent vers le bas. Il en est de même avec les bits classiques.
Cependant, ils peuvent également choisir d'être dans un état de superposition.
Une flèche est dans la condition où elle pointe dans n'importe quelle autre direction. La superposition de 0 et 1 donne cet état. Un Qubit produira toujours un 1 ou un 0 comme résultat lorsqu'il est mesuré.
Cependant, l'orientation de la flèche détermine une probabilité pertinente.
Vous êtes plus susceptible de recevoir un 1 si la flèche pointe principalement vers le bas et un 0 si elle pointe principalement vers le haut.
Vous aurez 50% de chances de gagner pour chacun si la flèche est au centre. En un mot, c'est de la superposition.
Enchevêtrement
Les bits d'un ordinateur traditionnel sont indépendants les uns des autres. L'état d'un bit n'a aucune incidence sur l'état de l'autre bit.
Les qubits des ordinateurs quantiques peuvent s'emmêler les uns avec les autres. Cela implique qu'ils fusionnent en un seul grand état quantique.
A titre d'illustration, considérons deux qubits qui sont dans différents états de superposition mais qui ne sont pas encore intriqués. À l'heure actuelle, leur probabilité ne dépend pas l'une de l'autre.
Lorsque nous les enchevêtrons, nous devons écarter ces probabilités indépendantes et déterminer les probabilités de tous les états alternatifs auxquels nous pouvons échapper, à savoir 00, 01, 10 et 11.
La distribution de probabilité de l'ensemble du système est modifiée si la direction de la flèche sur un qubit est modifiée parce que les qubits sont intriqués.
L'indépendance des qubits les uns par rapport aux autres a été perdue. Chacun d'eux est un composant d'un même état de taille. Peu importe le nombre de qubits que vous avez, c'est toujours le cas.
Il existe une combinaison possible de 2n états pour un ordinateur quantique à n qubits.
Vous avez une distribution de probabilité sur deux états, par exemple, pour un qubit. Vous avez une distribution de probabilité sur quatre états pour deux qubits, etc. La principale distinction entre les ordinateurs classiques et quantiques est la suivante.
Vous pouvez mettre les ordinateurs classiques dans n'importe quel état que vous choisissez, mais un seul à la fois. Tous ces états peuvent exister simultanément sur des ordinateurs quantiques en tant que superposition.
Comment l'ordinateur peut-il bénéficier d'être dans tous ces états à la fois ? Le dernier élément d'interférence entre en ce point.
Interférence
Une fonction d'onde quantique peut être utilisée pour décrire l'état d'un qubit.
La description mathématique fondamentale de tout en physique quantique est fournie par les fonctions d'onde.
Lorsque de nombreux qubits sont intriqués, leurs fonctions d'onde individuelles sont combinées pour former une fonction d'onde unique qui décrit l'état global de l'ordinateur quantique.
L'interférence est le résultat de l'addition de ces fonctions d'onde. Lorsque les vagues sont additionnées, elles peuvent interagir de manière constructive et se combiner pour créer une vague plus grande, tout comme le font les ondulations de l'eau.
Ils peuvent également interagir de manière destructrice pour se contrecarrer. La probabilité variée des divers états est déterminée par la fonction d'onde globale de l'ordinateur quantique.
Nous pouvons modifier la probabilité que certains états émergent lorsque nous mesurons l'ordinateur quantique en modifiant les états de divers qubits.
Même si l'ordinateur quantique peut exister dans plusieurs superpositions d'états à la fois, les mesures ne révèlent qu'un seul de ces états.
Par conséquent, lors de l'utilisation d'un ordinateur quantique pour effectuer un travail de calcul, une interférence constructive est nécessaire pour augmenter la probabilité de recevoir la bonne réponse et une interférence destructive pour réduire la probabilité d'en recevoir une incorrecte.
Maintenant, commençons par le Qiskit.
Qu’est ce qu' Kikit?
Qiskit est un cadre logiciel financé par IBM conçu pour faciliter l'entrée de quiconque dans le domaine de l'informatique quantique.
Parce que les ordinateurs quantiques sont difficiles à obtenir, vous pouvez en obtenir un via un fournisseur de cloud, tel qu'IBM, en utilisant leur boîte à outils Qiskit.
Il est disponible gratuitement, et tout son code est open source.
Il y a un manuel en ligne qui vous enseigne toutes les bases de la physique quantique, ce qui est très utile pour ceux qui ne connaissent pas le sujet. Python est utilisé pour développer la boîte à outils Qiskit.
Donc, si vous êtes familier avec le langage de programmation Python, vous reconnaîtrez beaucoup de code.
Le cadre logiciel convient à ceux qui souhaitent découvrir l'informatique quantique tout en acquérant une expérience pratique.
L'aspect le plus fondamental de Qiskit est qu'il fonctionne en deux étapes. L'une des étapes est l'étape de construction, dans laquelle nous créons plusieurs circuits quantiques et utilisons ces circuits pour résoudre le problème.
Ensuite, après avoir terminé l'étape de construction ou atteint la solution, nous passons à l'étape suivante, connue sous le nom d'étape d'exécution, dans laquelle nous essayons d'exécuter notre construction ou solution dans les différents backends (backend à vecteur d'état, backend unitaire, open ASM backend), et une fois l'exécution terminée, nous traitons les données dans la construction pour obtenir la sortie souhaitée.
Démarrer avec Qiskit
Sur votre ordinateur personnel ou sur le bloc-notes Jupyter hébergé par IBM, vous pouvez l'installer localement. Écrivez le code suivant pour installer localement sur un ordinateur Windows :
Nous devons nous inscrire ici afin d'accéder au jeton API qui nous permet d'utiliser les appareils quantiques d'IBM, puis nous pouvons commencer à travailler avec le site Web de l'entreprise. Vous pouvez imaginer faire cela en utilisant un Jupyter Notebook installé par Qiskit et fonctionnant en ligne.
Vous pouvez y accéder en sélectionnant votre profil dans le menu situé dans le coin supérieur droit de la page, puis en sélectionnant Informations sur le compte. Vous pouvez trouver votre jeton API dans la section sur les jetons API sous la forme de ***. Il est copié puis saisi dans le code suivant :
Une fois ce code exécuté, votre jeton API sera enregistré sur votre ordinateur, vous permettant d'utiliser les appareils quantiques d'IBM. Entrez ce qui suit pour déterminer si vous avez accès à un tel appareil :
Si le code susmentionné s'exécute, vous devriez pouvoir exécuter du code non seulement sur votre ordinateur, mais également en envoyant les circuits quantiques intégrés aux appareils quantiques d'IBM et en recevant les résultats.
Ainsi, en utilisant la bibliothèque de circuits, nous pouvons commencer à développer notre premier algorithme quantique. Nous commençons par importer les dépendances essentielles de Qiskit dans notre projet.
Nous construisons ensuite un registre quantique à deux qubits et un registre conventionnel à deux bits.
Nous avons donc maintenant établi à la fois un registre classique et un registre quantique. En utilisant ces deux éléments, nous pouvons construire le circuit et si, à tout moment de la modification du circuit, vous souhaitez esquisser à quoi ressemble le circuit quantique, écrivez le code suivant :
Nous pouvons voir sur l'image que le circuit est constitué de deux bits quantiques et de deux bits classiques.
En l'état, ce circuit manque de portes, ce qui le rend inintéressant. Construisons maintenant le circuit en utilisant les portes quantiques. Comme classique des portes logiques (portes ET, OU) sont destinées aux circuits numériques normaux, les portes quantiques sont les composants fondamentaux des circuits quantiques.
L'application de la porte Hadamard au premier qubit est la première étape de la création de l'intrication. Ensuite, en utilisant le code suivant, nous ajouterons une opération x contrôlée sur deux qubits :
Maintenant que ces deux opérateurs ont été utilisés pour construire notre circuit quantique, il est temps de mesurer les bits quantiques (qubits), de prendre ces mesures et de les stocker dans les bits classiques. Créons le code nécessaire pour y parvenir :
Le schéma ci-dessous représente le tracé de notre circuit :
Le circuit doit ensuite être exécuté sur un simulateur informatique traditionnel. Le circuit est terminé. Et examinez les résultats de cette exécution.
Les informations obtenues à partir de l'exécution de ce circuit sont stockées dans la variable de résultat. Affichons ces résultats à l'aide d'un histogramme graphique.
C'est ce qui se passe lorsque nous exécutons notre circuit quantique. Pour les nombres 00 et 11, nous recevons des probabilités de l'ordre de 50 %. Votre circuit d'ordinateur quantique initial a été construit. Toutes nos félicitations!
Applications de l'informatique quantique Qiskit
Financement Qiskit
Une collection d'outils et d'applications démonstratifs est proposée par Qiskit Finance. Il s'agit notamment des traducteurs Ising pour l'optimisation du portefeuille, des fournisseurs de données pour les données réelles ou aléatoires et des implémentations pour la tarification de diverses options financières ou des évaluations du risque de crédit.
Qiskit Nature
Des applications comme repliement des protéines et structure électronique/vibronique les calculs pour les états excités et fondamentaux sont pris en charge par Qiskit Nature.
Il offre toutes les pièces nécessaires pour connecter les codes classiques et les convertir automatiquement en différentes représentations nécessaires aux ordinateurs quantiques.
Apprentissage automatique Qiskit
Quantum machine learning les méthodes qui les utilisent pour résoudre divers problèmes, tels que la régression et la classification, sont fournies par Qiskit Machine Learning ainsi que les noyaux quantiques fondamentaux et les réseaux de neurones quantiques (QNN) en tant que blocs de construction.
Il permet également la connexion de QNN à PyTorch dans le but d'incorporer des éléments quantiques dans les opérations classiques.
Optimisation Qiskit
Qiskit Optimization offre toute la gamme de services d'optimisation, y compris la modélisation de haut niveau des problèmes d'optimisation, la traduction automatisée des problèmes en diverses représentations nécessaires et un ensemble de méthodes d'optimisation quantique simples.
Conclusion
En conclusion, alors que le supercalculateur le plus rapide actuellement disponible prend des années, les ordinateurs quantiques peuvent rapidement percer les méthodes de cryptage actuelles.
Malgré le fait que les ordinateurs quantiques seront capables de casser bon nombre des techniques de cryptage utilisées aujourd'hui, on prévoit qu'ils créeront des substituts à l'épreuve du piratage.
L'optimisation des problèmes est une force des ordinateurs quantiques. Pour plus de détails, veuillez visiter Qiskit GitHub.
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