A kvantumszámítás egy újszerű technológia, amely a kvantumfizikát használja a hagyományos számítógépek képességeit meghaladó problémák megoldására.
Sok vállalat most próbál tényleges kvantumhardvert elérhetővé tenni fejlesztők tízezrei számára, amely eszközről a tudósok három évtizeddel ezelőtt még csak álmodoztak.
Ennek eredményeként mérnökeink gyakran alkalmaznak egyre nagyobb teljesítményű szupravezető kvantumszámítógépeket, amelyek közelebb visznek bennünket a világ megváltoztatásához szükséges kvantumszámítási sebességhez és kapacitáshoz.
Ebben a bejegyzésben közelebbről is megvizsgáljuk kvantumszámítás és a hozzá tartozó eszközöket és kereteket, valamint azt, hogy hol lesznek 2022-ben.
Mi a kvantumszámítás?
Ezek a szuperszámítógépek a szuperpozíció és az összefonódás elvén épülnek, ami a kvantumfizika két aspektusa. A kvantumszámítógépek ma már a hagyományos számítógépeknél nagyságrendekkel gyorsabban tudnak feladatokat elvégezni, miközben sokkal kevesebb energiát fogyasztanak.
Az 1980-as években megjelent a kvantumszámítás területe. Aztán kiderült, hogy a kvantumalgoritmusok hatékonyabbak, mint a hagyományos megfelelőik bizonyos számítógépes feladatok megoldásában.
A kvantumszámítás a számítástechnikának egy olyan tudományága, amely a számítástechnika kvantumelméleti koncepciókon alapuló fejlesztésére összpontosít. Kihasználja a szubatomi részecskék azon rendkívüli képességét, hogy egyszerre több állapotban is létezhetnek, például 0-ban és 1-ben. Sokkal több adat feldolgozására képesek, mint a közönséges számítógépek.
Egy elem kvantumállapotát qubit létrehozására használják a kvantumszámítási műveletekben. A qubitek a kvantumszámítás alapvető adategységei. A kvantumszámításban ugyanazt a feladatot látják el, mint a bitek a közönséges számítástechnikában, de egészen másként viselkednek.
A hagyományos bitek binárisak, és csak 0 vagy 1 pozíciót tudnak fenntartani, míg a qubitek tartalmazhatják az összes lehetséges állapot szuperpozícióját.
A legjobb keretrendszerek a kvantumszámításhoz
1. Circq
A Cirq-et a Google Quantum AI csapata építette. Kvantumáramkörök tervezésére és fejlesztésére használják, amelyeket aztán kvantumszámítógépeken és szimulátorokon tesztelnek. A Cirq fantasztikus, mivel olyan fejlesztési szimulátorokat kínál, amelyek nagyon hasonlítanak a való életben látottakhoz.
Ez azt jelenti, hogy a könyvtár végigdolgozza a NISQ-t (Noisy Intermediate-Scale Quantum) körülvevő hardver részleteit, így biztosak lehetünk abban, hogy az algoritmus vagy áramkör a befejezés után egy valódi kvantumszámítógépen futtatható.
Ennek eredményeképpen kiaknázható adaptív és telepíthető kvantumáramkörök létrehozására. Interoperabilitási jellemzőkkel is rendelkezik. Egy szoftver, amely például kvantumáramköröket és szimulációkat importál és exportál.
Keretrendszer nyílt forráskódú kvantumszámítógépek programozásához. Cirq egy Piton szoftvercsomag, amely lehetővé teszi kvantumáramkörök létrehozását, manipulálását és optimalizálását, mielőtt kvantumszámítógépeken és szimulátorokon végrehajtaná azokat.
A Cirq egy hatékony absztrakció a mai zajos, közepes méretű kvantumszámítógépek kezelésére, ahol a hardverkövetelmények kritikusak a csúcsminőségű eredmények eléréséhez.
Jellemzők
- A qubiteken működő kapukból megtudhatja, hogyan kell kvantumáramköröket tervezni. Ismerje meg, mi az a pillanat, és hogyan segíthetnek a különféle beillesztési taktikák az ideális áramkör megalkotásában. Tanulja meg az áramkörök szeletelését és felkockázását új és továbbfejlesztett áramkörök létrehozása érdekében.
- A technológiai korlátozások jelentősen befolyásolják azt, hogy egy áramkör megvalósítható-e a kortárs hardveren. Ismerje meg, hogyan programozhatja be a Google Quantum Computing szolgáltatását, és hogyan hozhat létre eszközöket e korlátozások kezelésére.
- Mind a hullámfüggvények, mind a sűrűségmátrixok beépített szimulátorral rendelkeznek a Cirq-ben. Monte Carlo vagy teljes sűrűségű mátrix szimulációk használhatók a zajos kvantumcsatornák kezelésére.
- A Google kvantumprocesszorain végzett tesztek végrehajtása érdekében a Cirq együttműködik a Quantum Computing Service-szel.
2. ProjectQ
Az ETH Zurich létrehozta a ProjectQ-t, egy nyílt forráskódú kvantumszámítási szoftver architektúrát. Robusztus és egyszerű szintaxis hogy a felhasználók kvantum alkalmazásokat hozzanak létre Pythonban. A ProjectQ ezután ezeket a szkripteket bármilyen háttérrendszerré konvertálhatja, legyen az klasszikus számítógépes szimulátor vagy kvantumprocesszor.
A ProjectQ ezután ezeket az alkalmazásokat bármilyen háttérrendszerré konvertálhatja, például klasszikus számítógépes szimulátorrá vagy kvantumprocesszorra, például az IBM Quantum Experience platformra.
Jellemzők
- Az informatika magas szintű programozási nyelv kvantumprogramokhoz.
- Moduláris és adaptálható fordítója van.
- Számos hardveres és szoftveres háttérprogramot is kínál.
- Kvantumszámítógépes könyvtár (FermiLib) fermionikus problémák megoldására
- Az IBM Quantum Experience chip, az AQT eszközök, az AWS Braket és az IonQ szolgáltatással ellátott eszközök egyaránt használhatók kvantumalgoritmusok futtatására.
- Magasabb absztrakciós szinten a kvantumprogramok emulálhatók (pl. nagy orákulumok működését utánozzák ahelyett, hogy alacsony szintű kapukra fordítanák őket)
- A klasszikus számítógépeken kvantumprogramok szimulálhatók.
3. Tensoflow Quantum
A Python-keretrendszer, a TensorFlow Quantum (TFQ) a kvantumokhoz való gépi tanulás. A TFQ egy TensorFlow alkalmazási keretrendszer, amely lehetővé teszi a kvantumalgoritmusokkal és gépi tanulással foglalkozó kutatók számára, hogy közvetlenül a TensorFlow-tól használják a Google kvantumszámítási keretrendszerét.
A TensorFlow Quantum egy olyan program, amely a kvantumadatokra és a kvantum-klasszikus hibrid modellek létrehozására összpontosít. Egyesíti a Cirq által tervezett kvantumszámítási technikákat és logikát TensorFlow API-kkal, valamint nagy teljesítményű kvantumáramkör-szimulátorokkal.
A TFQ keretrendszer hagyományos és hibrid modellek, például Quantum CNN (QCNN) futtatására is használható. Ennek eredményeként a TFQ minden olyan problémára használható, amelyre korábban nem lehetett hagyományos megközelítésekkel válaszolni. Bizonyos valós problémák megválaszolásához kezdje a TFQ-val a kvantum vagy kvantum-klasszikus hibrid modellek létrehozásához.
Jellemzők
- A kutatók a TFQ segítségével tenzorokat hozhatnak létre kvantumadatkészletek, kvantummodellek és hagyományos vezérlési paraméterek segítségével egyetlen számítási hálózatban.
- A tenzorokat kvantumadatok (többdimenziós számtömb) tárolására használják. A kvantumadatok minden tenzorát Cirq kvantumáramkörként írják le, amely kvantumadatokat hoz létre menet közben.
- A kutató a Cirq segítségével kvantum prototípusát készítheti el neurális hálózat amely később bekerül egy TensorFlow számítási grafikonba.
- A TensorFlow Quantum egyik fő jellemzője a számos kvantumáramkör egyidejű betanításának és végrehajtásának képessége.
4. Percevel
A Perceval egy nyílt forráskódú keretrendszer fotonikus kvantumszámítógépek programozásához, amelyet a Perceval fejlesztett ki, egy francia vállalkozás, amely fénymanipuláción alapuló kvantumszámítógépek új generációjának felépítésére összpontosít.
A Perceval eszközöket kínál áramkörök lineáris optikai komponensekből történő összeállításához, egyfoton források meghatározásához, Fock-állapotok manipulálásához, kvantumszimulációk futtatásához, publikált kísérleti dokumentumok reprodukálásához és kvantumalgoritmusok új generációjával való kísérletezéshez egy egyszerű objektum-orientált Python API-n keresztül.
Célja, hogy egy társeszköz legyen kvantumfotonikus áramkörök felépítéséhez – azok tervezésének szimulálásához és finomításához, az ideális és tényleges viselkedés modellezéséhez, valamint szabványos interfészt kínáljon ezek vezérléséhez a háttérrendszerek fogalmán keresztül.
Helyi asztalon történő működésre optimalizálva, számos fejlesztéssel a HPC-fürtökhöz, és hozzáférést biztosít a kifinomult háttérprogramokhoz a kvantumalgoritmusok numerikus és szimbolikus szimulációjához fotonikus áramkörökön.
Számos előre gyártott alkatrészt is felhasználhat algoritmusok és bonyolult lineáris optikai áramkörök létrehozására. A jól ismert algoritmusok könyvtára elérhető, valamint a használatukra vonatkozó leckék.
Néhány sornyi kódot is használhat kísérletek végrehajtására az algoritmusok finomhangolására, a kísérleti adatokkal való összehasonlításra és a közzétett publikációk újrakészítésére.
Jellemzők
- Egyedülálló architektúra, amelyet teljes mértékben a lineáris optikának és a fotonikus kvantumszámításnak szenteltek
- A projekt egy nyílt forráskódú projekt, moduláris architektúrával, amely üdvözli a közösségi hozzájárulásokat.
- Az előre gyártott alkatrészek hatalmas könyvtárának felhasználásával algoritmusokat és bonyolult lineáris optikai áramköröket hozhat létre. A jól ismert algoritmusok könyvtára elérhető, valamint a használatukra vonatkozó leckék.
- Kísérletezzen algoritmusokkal a finomhangolásukhoz, hasonlítsa össze őket a kísérleti adatokkal, és másolja át a meglévő publikációkat néhány kódsorba.
- A fotonikus áramkörök kvantum-algoritmusainak emulálásához használjon kifinomult háttérprogramokat. A Perceval a numerikus és szimbolikus teljesítmény tekintetében helyi asztali számítógépeken való futtatásra készült, számos fejlesztéssel a HPC-fürtökhöz.
5. Qiskit
Tudjuk, hogy ha a következő generációs technológiáról beszélünk, az IBM-nek lesz mit ajánlani. Biztosan így van. QisKit egy nyílt forráskódú platform a kvantumszoftverek fejlesztésére.
A Qiskit egy IBM által finanszírozott szoftver keretrendszer, amely megkönnyíti a felhasználók számára a megismerést kvantumszámítás. Mivel kvantumszámítógépeket nehéz beszerezni, hozzáférést szerezhet egy felhőszolgáltatóval, például az IBM Qiskit eszközkészletével.
Használata teljesen ingyenes, és az összes kód az nyílt forráskódú. Van egy online tankönyv, amely megtanítja a kvantumfizika alapjait, ami nagyon hasznos a kezdőknek, akik nem jártasak a témában.
A kvantumszámítógépek impulzusok, áramkörök és alkalmazásmodulok szintjén használhatók.
Jellemzők
- A különböző szintű felhasználók a Qiskit-et kutatásra és alkalmazásfejlesztésre használhatják, mert a kvantumkapuk teljes gyűjteményével és egy sor előre beépített áramkörrel érkezik.
- A Qiskit Runtime segítségével kvantumalkalmazásokat koordinálhat felhőalapú CPU-kon, QPU-kon és GPU-kon, valamint futtathat és ütemezhet tevékenységeket tényleges kvantumprocesszorokon.
- A transzpiler a Qiskit kódot hatékony áramkörré alakítja a háttér natív kapukészletének felhasználásával, lehetővé téve a felhasználók számára, hogy bármilyen kvantumprocesszorhoz vagy architektúrához tervezzenek minimális bemenettel.
Következtetés
Összefoglalva, a kvantumszámítógépek gyorsan, rövid idő alatt képesek áthatolni a mai titkosítási technikákon, míg a jelenleg elérhető legnagyobb szuperszámítógéphez évekre van szükség.
Annak ellenére, hogy a kvantumszámítógépek számos mai titkosítási sémát képesek lesznek feltörni, várhatóan feltörésbiztos alternatívákat fognak kifejleszteni. A kvantumszámítógépek fantasztikusak az optimalizálási problémák megoldásában.
Hagy egy Válaszol