Índice analítico[Ocultar][Mostrar]
Máis rápido que nunca, o mundo está cambiando debido ao cambio dixital.
Coa chegada inminente doutra nova onda de tecnoloxía capaz de alterar drasticamente os paradigmas actuais cunha velocidade e unha potencia sorprendentes: a computación cuántica, comprender as ideas fundamentais da era dixital será aínda máis importante.
Unha técnica innovadora chamada computación cuántica fai uso da física cuántica para resolver problemas que están fóra do alcance das computadoras convencionais.
Os principios da teoría cuántica mostran como se comportan a materia e a enerxía a escala atómica e subatómica, e Qiskit de IBM é un kit de desenvolvemento de software cuántico de código aberto que axuda a crear sistemas de computación cuántica.
Este artigo trata de explicar isto e ofrecerche unha visión xeral da computación cuántica.
Explicarémolo aos nosos lectores coa axuda dunha computación cuántica de código aberto SDK, é dicir. Qiskit e déixaos explorar usando Cadernos Jupyter aloxado en IBM Quantum Lab.
Que é a computación cuántica?
Informática cuántica é unha rama da informática que se centra no desenvolvemento de tecnoloxía informática utilizando ideas da teoría cuántica.
Aproveita a capacidade excepcional das partículas subatómicas para existir simultaneamente en moitos estados, como 0 e 1.
Son capaces de procesar moitos máis datos que os ordenadores normais.
Nos procesos de computación cuántica, un qubit faise usando o estado cuántico dun obxecto. As pezas de información esenciais na computación cuántica son os qubits.
Realizan a mesma función que os bits na computación convencional na computación cuántica, pero actúan de forma bastante diferente. A computación cuántica é un campo que xurdiu na década de 1980.
Despois descubriuse que os algoritmos cuánticos eran máis efectivos para facer algunhas tarefas informáticas que os seus homólogos clásicos.
A superposición e o enredo, dous conceptos da física cuántica, son os fundamentos nos que se basean estes supercomputadores.
En comparación cos ordenadores convencionais, os ordenadores cuánticos actualmente poden facer traballos ordes de magnitude máis rápido mentres consumen moita menos enerxía.
Debemos proceder co funcionamento dos ordenadores cuánticos para comprendelo plenamente. Comecemos agora.
Como funciona realmente un ordenador cuántico?
En comparación cos ordenadores tradicionais aos que estamos afeitos, os ordenadores cuánticos abordan a resolución de problemas de forma diferente. Para algunhas tarefas, os ordenadores cuánticos son preferibles aos tradicionais de varias maneiras.
Pénsase que a causa é a súa capacidade de existir en numerosos estados á vez. Por outra banda, os ordenadores convencionais só poden estar nun único estado á vez.
Hai tres conceptos clave que debes comprender para comprender como funcionan as computadoras cuánticas:
- Superposición.
- Enredo.
- Interferencia.
Superposición
Os bits son os compoñentes fundamentais dos ordenadores tradicionais. Os bits cuánticos, ou qubits, son as unidades básicas das computadoras cuánticas.
Fundamentalmente, os bits cuánticos funcionan de forma diferente. Un bit binario, ás veces coñecido como bit tradicional, é un interruptor que pode ser un 0 ou un 1.
Recibimos o estado actual do bit cando o medimos. Os qubits son unha excepción a isto. Os qubits pódense comparar con frechas que apuntan en tres dimensións.
Están nas condicións 0 se apuntan cara arriba. Están no estado 1 se apuntan cara abaixo. O mesmo ocorre cos bits clásicos.
Non obstante, tamén poden optar por estar en estado de superposición.
Unha frecha está na condición de que apunta en calquera outra dirección. A superposición de 0 e 1 dá como resultado este estado. Un Qubit aínda producirá un 1 ou un 0 como resultado cando se mide.
Non obstante, a orientación da frecha determina unha probabilidade relevante.
É máis probable que recibas un 1 se a frecha apunta principalmente cara abaixo e un 0 se apunta principalmente cara arriba.
Terás un 50% de posibilidades de gañar para cada un se a frecha está no centro. En poucas palabras, iso é superposición.
Enredo
Os bits nun ordenador tradicional son independentes uns dos outros. O estado dun bit non ten relación co estado do outro bit.
Os qubits das computadoras cuánticas poden enredarse entre si. Isto implica que se funden nun único estado cuántico grande.
Para ilustración, considere dous qubits que están en varios estados de superposición pero que aínda non están entrelazados. Neste momento, a súa probabilidade non depende un do outro.
Cando os enredamos, debemos descartar esas probabilidades independentes e determinar as probabilidades de todos os estados alternativos dos que podemos escapar, é dicir, 00, 01, 10 e 11.
A distribución de probabilidade de todo o sistema cámbiase se se cambia a dirección da frecha nun qubit porque os qubits están entrelazados.
Perdeuse a independencia dos qubits uns dos outros. Cada un deles é un compoñente do mesmo estado considerable. Non importa cantos qubits teñas, este segue a ser o caso.
Existe unha posible combinación de 2n estados para unha computadora cuántica con n qubits.
Ten unha distribución de probabilidade en dous estados, por exemplo, para un qubit. Ten unha distribución de probabilidade en catro estados para dous qubits, etc. A principal distinción entre ordenadores clásicos e cuánticos é esta.
Podes poñer os ordenadores clásicos na condición que elixas, pero só un á vez. Todos eses estados poden existir simultáneamente en computadoras cuánticas como superposición.
Como pode beneficiarse o ordenador de estar en todos eses estados á vez? O último elemento de interferencia entra neste punto.
Interferencia
Unha función de onda cuántica pódese usar para describir o estado dun qubit.
A descrición matemática fundamental de todo en física cuántica é proporcionada polas funcións de onda.
Cando se enredan moitos qubits, as súas funcións de onda individuais combínanse para formar unha única función de onda que describe o estado global da computadora cuántica.
A interferencia é o resultado de sumar estas funcións de onda. Cando se suman as ondas, poden interactuar de forma construtiva e combinarse para crear unha onda máis grande, como fan as ondas de auga.
Tamén poden interactuar destrutivamente para contrarrestarse entre si. A variada probabilidade dos distintos estados está determinada pola función de onda global da computadora cuántica.
Podemos alterar a probabilidade de que xurdan certos estados cando medimos a computadora cuántica alterando os estados de varios qubits.
Aínda que a computadora cuántica pode existir en varias superposicións de estados á vez, as medicións só revelan un deses estados.
Polo tanto, mentres se utiliza unha computadora cuántica para completar un traballo de cálculo, é necesaria unha interferencia construtiva para aumentar a probabilidade de recibir a resposta correcta e unha interferencia destrutiva para reducir a probabilidade de recibir unha incorrecta.
Agora, imos comezar co Qiskit.
O que é Qiskit?
Qiskit é un marco de software financiado por IBM deseñado para facilitar que calquera poida entrar no campo da computación cuántica.
Debido a que as computadoras cuánticas son difíciles de conseguir, podes obter unha a través dun provedor de nube, como IBM, usando a súa caixa de ferramentas Qiskit.
Está dispoñible de balde e todo o seu código é de código aberto.
Hai un libro de texto en liña que che ensina todos os fundamentos da física cuántica, o que é moi útil para quen non estea familiarizado coa materia. Python úsase para desenvolver o kit de ferramentas Qiskit.
Polo tanto, se estás familiarizado coa linguaxe de programación Python, recoñecerás moito código.
O marco de software é axeitado para aqueles que o desexen aprender sobre computación cuántica ao mesmo tempo que adquire experiencia práctica.
O aspecto máis fundamental de Qiskit é que funciona en dúas etapas. Un dos pasos é a fase de construción, na que creamos varios circuítos cuánticos e utilizamos eses circuítos para resolver o problema.
Despois, despois de completar a fase de construción ou de chegar á solución, pasamos á seguinte fase, que se coñece como fase de execución, na que tentamos executar a nosa compilación ou solución nos distintos backends (backend de vectores de estado, backend unitario, aberto). backend ASM), e despois de completar a execución, procesamos os datos na compilación para a saída desexada.
Comezando con Qiskit
No seu ordenador persoal ou no Jupyter Notebook que aloxa IBM, pode instalalo localmente. Escriba o seguinte código para instalar localmente nun ordenador con Windows:
Necesitamos rexistrarse aquí para acceder ao token API que nos permite utilizar os dispositivos cuánticos de IBM e, a continuación, podemos comezar a traballar co sitio web da empresa. Podes imaxinar facelo usando un Jupyter Notebook instalado en Qiskit en liña.
Podes acceder a el seleccionando o teu perfil no menú da esquina superior dereita da páxina e, a continuación, seleccionando Información da conta. Podes atopar o teu token API na sección de tokens API en forma de ***. Cópiase e despois introdúcese no seguinte código:
Unha vez que se execute este código, o seu token API gardarase no seu ordenador, o que lle permitirá utilizar os dispositivos cuánticos de IBM. Introduza o seguinte para determinar se ten acceso a un dispositivo deste tipo:
Se se executa o código anteriormente mencionado, deberías poder executar código non só no teu ordenador, senón tamén enviando os circuítos cuánticos incorporados aos dispositivos cuánticos de IBM e recibindo resultados.
Entón, usando a biblioteca de circuítos, podemos comezar a desenvolver o noso primeiro algoritmo cuántico. Comezamos importando as dependencias esenciais de Qiskit ao noso proxecto.
Despois construímos un rexistro cuántico de dous qubits e un rexistro convencional de dous bits.
Entón, agora temos establecidos un rexistro clásico e un cuántico. Usando eses dous, podemos construír o circuíto e se, nalgún momento durante a modificación do circuíto, queres esbozar como é o circuíto cuántico, escribe o seguinte código:
Na imaxe podemos ver que o circuíto consta de dous bits cuánticos e dous bits clásicos.
Tal e como está, este circuíto carece de portas, polo que non resulta interesante. Agora imos construír o circuíto usando as portas cuánticas. Como clásico portas lóxicas (Portas AND, OR) son para circuítos dixitais normais, as portas cuánticas son os compoñentes fundamentais dos circuítos cuánticos.
Aplicar a porta Hadamard ao primeiro qubit é o primeiro paso para crear un enredo. Despois, usando o seguinte código, engadiremos unha operación x controlada por dous qubits:
Agora que se utilizaron estes dous operadores para construír o noso circuíto cuántico, é hora de medir os bits cuánticos (qubits), tomar esas medidas e almacenalas nos bits clásicos. Imos crear o código necesario para conseguilo:
O seguinte diagrama representa o trazado do noso circuíto:
O circuíto debe executarse nun simulador de ordenador tradicional. O circuíto está rematado. E examinar os resultados desa execución.
A información obtida ao realizar ese circuíto gárdase na variable resultado. Imos mostrar estes resultados usando un histograma gráfico.
Iso é o que ocorre cando executamos o noso circuíto cuántico. Para os números 00 e 11, recibimos probabilidades de arredor do 50%. Construíuse o teu circuíto de ordenador cuántico inicial. Parabéns!
Aplicacións de Qiskit Quantum Computing
Finanzas Qiskit
Qiskit Finance ofrece unha colección de ferramentas e aplicacións demostrativas. Estes inclúen tradutores Ising para a optimización da carteira, provedores de datos para datos reais ou aleatorios e implementacións para fixar o prezo de varias opcións financeiras ou avaliacións de risco de crédito.
Qiskit Natureza
Aplicacións como pregamento de proteínas e estrutura electrónica/vibrónica Qiskit Nature soporta os cálculos tanto para os estados excitados como para os estados fundamentais.
Ofrece todas as pezas necesarias para conectar códigos clásicos e converterse automaticamente en diferentes representacións que necesitan as computadoras cuánticas.
Qiskit Machine Learning
Cantidade aprendizaxe de máquina Qiskit Machine Learning proporciona métodos que os usan para abordar varios problemas, como a regresión e a clasificación, así como os núcleos cuánticos fundamentais e as redes neuronais cuánticas (QNN) como bloques de construción.
Tamén permite a conexión de QNN a PyTorch co propósito de incorporar elementos cuánticos nas operacións clásicas.
Optimización de Qiskit
Qiskit Optimization ofrece todo o espectro de servizos de optimización, incluíndo modelado de alto nivel de problemas de optimización, tradución automática de problemas a varias representacións necesarias e unha colección de métodos de optimización cuántica sinxelos.
Conclusión
En conclusión, mentres que a supercomputadora máis rápida dispoñible agora leva anos, as computadoras cuánticas poden romper rapidamente os métodos de cifrado actuais.
A pesar de que as computadoras cuánticas poderán romper moitas das técnicas de cifrado que se usan hoxe en día, prevese que crearán substitutos a proba de pirateo.
A optimización dos problemas é unha fortaleza das computadoras cuánticas. Para obter máis detalles, visite Qiskit GitHub.
Deixe unha resposta