Lebih cepat dari sebelumnya, dunia berubah karena perubahan digital.
Dengan munculnya gelombang teknologi baru lainnya yang mampu secara drastis mengubah paradigma saat ini dengan kecepatan dan kekuatan yang luar biasa: komputasi kuantum, memahami ide-ide dasar era digital akan menjadi semakin penting.
Teknik terobosan yang disebut komputasi kuantum memanfaatkan fisika kuantum untuk memecahkan masalah yang berada di luar jangkauan komputer konvensional.
Prinsip-prinsip teori kuantum menunjukkan bagaimana materi dan energi berperilaku pada skala atom dan subatom, dan Qiskit IBM adalah kit pengembangan perangkat lunak kuantum sumber terbuka yang membantu dalam menciptakan sistem komputasi kuantum.
Artikel ini berusaha menjelaskan hal ini dan memberi Anda gambaran umum tentang komputasi kuantum.
Kami akan menjelaskan kepada pembaca kami dengan bantuan komputasi kuantum sumber terbuka SDK, yaitu. Qiskit dan biarkan mereka menjelajah menggunakan Notebook Jupyter diselenggarakan di IBM Quantum Lab.
Apa itu Komputasi Kuantum?
Komputasi kuantum adalah cabang ilmu komputer yang berfokus pada pengembangan teknologi komputer dengan menggunakan ide-ide dari teori kuantum.
Ini mengambil keuntungan dari kapasitas luar biasa partikel subatomik untuk secara bersamaan ada di banyak keadaan, seperti 0 dan 1.
Mereka mampu memproses lebih banyak data daripada komputer biasa.
Dalam proses komputasi kuantum, qubit dibuat menggunakan keadaan kuantum suatu objek. Bagian penting dari informasi dalam komputasi kuantum adalah qubit.
Mereka melakukan fungsi yang sama seperti bit dalam komputasi konvensional dalam komputasi kuantum, tetapi mereka bertindak sangat berbeda. Komputasi kuantum adalah bidang yang muncul pada 1980-an.
Kemudian ditemukan bahwa algoritma kuantum lebih efektif dalam melakukan beberapa tugas komputer daripada rekan klasiknya.
Superposisi dan keterjeratan, dua konsep dari fisika kuantum, adalah fondasi yang menjadi dasar superkomputer ini.
Dibandingkan dengan komputer konvensional, komputer kuantum saat ini dapat melakukan pekerjaan dengan skala lebih cepat sambil mengkonsumsi lebih sedikit energi.
Kita harus melanjutkan pengoperasian komputer kuantum untuk memahaminya sepenuhnya. Mari kita mulai sekarang.
Bagaimana sebenarnya cara kerja komputer kuantum?
Dibandingkan dengan komputer tradisional yang biasa kita gunakan, komputer kuantum mendekati pemecahan masalah secara berbeda. Untuk beberapa tugas, komputer kuantum lebih disukai daripada yang tradisional dalam beberapa cara.
Kapasitas mereka untuk eksis di banyak negara sekaligus dianggap sebagai penyebabnya. Di sisi lain, komputer konvensional hanya bisa berada dalam satu keadaan sekaligus.
Ada tiga konsep kunci yang harus Anda pahami untuk memahami bagaimana komputer kuantum beroperasi:
- superposisi.
- Belitan.
- Gangguan.
Superposisi
Bit adalah komponen dasar dari komputer tradisional. Bit kuantum, atau Qubit, adalah unit dasar komputer kuantum.
Pada dasarnya, bit kuantum beroperasi secara berbeda. Bit biner, kadang-kadang dikenal sebagai bit tradisional, adalah sakelar yang dapat berupa 0 atau 1.
Kami menerima status bit saat ini kembali ketika kami mengukurnya. Qubit adalah pengecualian untuk ini. Qubit dapat dibandingkan dengan panah yang menunjuk ke tiga dimensi.
Mereka berada dalam kondisi 0 jika mengarah ke atas. Mereka berada dalam status 1 jika mengarah ke bawah. Hal yang sama berlaku dengan bit klasik.
Namun, mereka juga dapat memilih untuk berada dalam keadaan superposisi.
Sebuah panah dalam kondisi di mana ia menunjuk ke arah lain. Superposisi 0 dan 1 menghasilkan keadaan ini. Qubit masih akan menghasilkan 1 atau 0 sebagai hasil saat diukur.
Namun, orientasi panah menentukan probabilitas yang relevan.
Anda lebih mungkin menerima 1 jika panah mengarah ke bawah dan 0 jika panah mengarah ke atas.
Anda akan memiliki peluang 50% untuk menang untuk masing-masing jika panah berada di tengah. Singkatnya, itu adalah superposisi.
Belitan
Bit-bit dalam komputer tradisional tidak tergantung satu sama lain. Status satu bit tidak berpengaruh pada status bit lainnya.
Qubit dalam komputer kuantum dapat terjerat satu sama lain. Ini menyiratkan bahwa mereka bergabung menjadi satu keadaan kuantum besar.
Sebagai ilustrasi, pertimbangkan dua qubit yang berada dalam berbagai status superposisi tetapi belum terjerat. Pada saat ini, probabilitas mereka tidak bergantung satu sama lain.
Ketika kita menjeratnya, kita harus membuang probabilitas independen tersebut dan menentukan probabilitas dari semua keadaan alternatif yang dapat kita hindari, yaitu, 00, 01, 10, dan 11.
Distribusi probabilitas seluruh sistem berubah jika arah panah pada satu qubit diubah karena qubit terjerat.
Independensi qubit satu sama lain telah hilang. Masing-masing dari mereka adalah komponen dari keadaan yang sama besar. Tidak peduli berapa banyak qubit yang Anda miliki, ini masih terjadi.
Ada kemungkinan kombinasi 2n keadaan untuk komputer kuantum dengan n qubit.
Anda memiliki distribusi probabilitas di dua status, misalnya, untuk satu qubit. Anda memiliki distribusi probabilitas di empat keadaan untuk dua qubit, dll. Perbedaan utama antara komputer klasik dan kuantum adalah ini.
Anda dapat menempatkan komputer klasik dalam kondisi apa pun yang Anda pilih, tetapi hanya satu per satu. Semua status tersebut dapat eksis secara bersamaan pada komputer kuantum sebagai superposisi.
Bagaimana komputer bisa mendapatkan keuntungan dari berada di semua negara bagian sekaligus? Elemen terakhir dari gangguan masuk pada titik ini.
Gangguan
Fungsi gelombang kuantum dapat digunakan untuk menggambarkan keadaan qubit.
Deskripsi matematis mendasar dari segala sesuatu dalam fisika kuantum disediakan oleh fungsi gelombang.
Ketika banyak qubit terjerat, fungsi gelombang individualnya digabungkan bersama untuk membentuk fungsi gelombang tunggal yang menggambarkan keadaan keseluruhan komputer kuantum.
Interferensi adalah hasil dari menambahkan fungsi gelombang ini bersama-sama. Ketika gelombang ditambahkan bersama-sama, mereka mungkin berinteraksi dan bergabung secara konstruktif untuk menciptakan gelombang yang lebih besar, seperti halnya riak air.
Mereka juga dapat berinteraksi secara destruktif untuk melawan satu sama lain. Probabilitas yang bervariasi dari berbagai keadaan ditentukan oleh fungsi gelombang keseluruhan komputer kuantum.
Kita dapat mengubah kemungkinan bahwa keadaan tertentu akan muncul ketika kita mengukur komputer kuantum dengan mengubah keadaan berbagai qubit.
Meskipun komputer kuantum dapat eksis di beberapa superposisi keadaan sekaligus, pengukuran hanya mengungkapkan salah satu dari keadaan tersebut.
Oleh karena itu, saat menggunakan komputer kuantum untuk menyelesaikan pekerjaan komputasi, interferensi konstruktif diperlukan untuk meningkatkan kemungkinan menerima jawaban yang benar dan interferensi destruktif untuk menurunkan kemungkinan menerima jawaban yang salah.
Sekarang, mari kita mulai dengan Qiskit.
Apa itu Qikit?
Qiskit adalah kerangka kerja perangkat lunak yang didanai IBM yang dirancang untuk memudahkan siapa saja memasuki bidang komputasi kuantum.
Karena komputer kuantum sulit didapat, Anda bisa mendapatkannya melalui penyedia cloud, seperti IBM, menggunakan kotak peralatan Qiskit mereka.
Ini tersedia secara gratis, dan semua kodenya adalah open source.
Ada buku teks online yang mengajarkan Anda semua dasar-dasar fisika kuantum, yang sangat berguna bagi mereka yang tidak terbiasa dengan subjek ini. Python digunakan untuk mengembangkan toolkit Qiskit.
Jadi, jika Anda terbiasa dengan bahasa pemrograman Python, Anda akan mengenali banyak kode.
Kerangka kerja perangkat lunak cocok untuk mereka yang ingin belajar tentang komputasi kuantum sekaligus mendapatkan pengalaman praktis.
Aspek yang paling mendasar dari Qiskit adalah bahwa ia beroperasi dalam dua tahap. Salah satu langkahnya adalah tahap konstruksi, di mana kami membuat beberapa sirkuit kuantum dan menggunakan sirkuit tersebut untuk menyelesaikan masalah.
Kemudian, setelah menyelesaikan tahap pembangunan atau mencapai solusi, kami melanjutkan ke tahap berikutnya, yang dikenal sebagai tahap eksekusi, di mana kami mencoba menjalankan build atau solusi kami di berbagai backend (backend vektor state, backend kesatuan, open ASM backend), dan setelah proses selesai, kami memproses data di build untuk output yang diinginkan.
Memulai dengan Qiskit
Di komputer pribadi Anda atau Notebook Jupyter yang dihosting IBM, Anda dapat menginstalnya secara lokal. Tulis kode berikut untuk menginstal secara lokal di komputer Windows:
Kami perlu mendaftar di sini untuk mengakses token API yang memungkinkan kami menggunakan perangkat kuantum IBM, dan kemudian kami dapat mulai bekerja dengan situs web perusahaan. Anda dapat membayangkan melakukan ini dengan menggunakan Notebook Jupyter yang diinstal Qiskit yang berjalan online.
Anda dapat mengaksesnya dengan memilih Profil Anda dari menu di sudut kanan atas halaman, lalu memilih Informasi akun. Anda dapat menemukan token API Anda di bawah bagian token API dalam bentuk ***. Itu disalin dan kemudian dimasukkan ke dalam kode berikut:
Setelah kode ini dieksekusi, token API Anda akan disimpan di komputer Anda, memungkinkan Anda untuk menggunakan perangkat kuantum IBM. Masukkan yang berikut ini untuk menentukan apakah Anda memiliki akses ke perangkat tersebut:
Jika kode yang disebutkan di atas berjalan, Anda seharusnya dapat menjalankan kode tidak hanya di komputer Anda, tetapi juga dengan mengirimkan sirkuit kuantum bawaan ke perangkat kuantum IBM dan menerima hasilnya.
Jadi, dengan menggunakan perpustakaan sirkuit, kita dapat mulai mengembangkan algoritma kuantum pertama kita. Kami mulai dengan mengimpor dependensi penting dari Qiskit ke dalam proyek kami.
Kami kemudian membangun register kuantum dua-qubit dan register konvensional dua-bit.
Jadi sekarang kita memiliki register klasik dan register kuantum. Dengan menggunakan keduanya, kita dapat membuat sirkuit dan jika, setiap saat selama modifikasi sirkuit, Anda ingin membuat sketsa seperti apa sirkuit kuantum, tulis kode berikut:
Kita dapat melihat dari gambar bahwa rangkaian terdiri dari dua bit kuantum dan dua bit klasik.
Karena itu, sirkuit ini tidak memiliki gerbang, membuatnya tidak menarik. Sekarang mari kita membangun sirkuit menggunakan gerbang kuantum. Seperti klasik gerbang logika (Gerbang AND, OR) adalah untuk sirkuit digital normal, gerbang kuantum adalah komponen dasar sirkuit kuantum.
Menerapkan gerbang Hadamard ke qubit pertama adalah langkah pertama dalam menciptakan keterjeratan. Kemudian, dengan menggunakan kode berikut, kita akan menambahkan operasi x terkontrol dua qubit:
Sekarang kedua operator ini telah digunakan untuk membangun sirkuit kuantum kami, sekarang saatnya untuk mengukur bit kuantum (qubit), melakukan pengukuran tersebut, dan menyimpannya dalam bit klasik. Mari buat kode yang diperlukan untuk mencapainya:
Diagram di bawah ini menggambarkan tata letak sirkuit kami:
Sirkuit kemudian harus dijalankan pada simulator komputer tradisional. Sirkuit telah selesai. Dan periksa hasil dari eksekusi itu.
Informasi yang diperoleh dari melakukan rangkaian itu disimpan dalam variabel hasil. Mari kita tampilkan hasil ini menggunakan histogram plot.
Itulah yang terjadi ketika kita menjalankan sirkuit kuantum kita. Untuk angka 00 dan 11, kami menerima probabilitas sekitar 50%. Sirkuit komputer kuantum awal Anda telah dibuat. Selamat!
Aplikasi Komputasi Kuantum Qiskit
Keuangan Qiskit
Kumpulan alat dan aplikasi demonstratif ditawarkan oleh Qiskit Finance. Ini termasuk penerjemah Ising untuk pengoptimalan portofolio, pemasok data untuk data aktual atau acak, dan implementasi untuk menentukan harga berbagai opsi keuangan atau penilaian risiko kredit.
Alam Qiskit
Aplikasi seperti pelipatan protein dan struktur elektronik/vibronik perhitungan untuk keadaan tereksitasi dan dasar didukung oleh Qiskit Nature.
Ini menawarkan semua bagian yang diperlukan untuk menghubungkan kode klasik dan secara otomatis mengkonversi ke representasi berbeda yang dibutuhkan oleh komputer kuantum.
Pembelajaran Mesin Qiskit
Kuantum Mesin belajar metode yang menggunakannya untuk mengatasi berbagai masalah, seperti regresi dan klasifikasi, disediakan oleh Qiskit Machine Learning serta kernel kuantum dasar dan jaringan saraf kuantum (QNNs) sebagai blok bangunan.
Ini juga memungkinkan koneksi QNN ke PyTorch untuk tujuan menggabungkan elemen kuantum ke dalam operasi klasik.
Pengoptimalan Qiskit
Qiskit Optimization menawarkan seluruh spektrum layanan pengoptimalan, termasuk pemodelan tingkat tinggi masalah pengoptimalan, terjemahan otomatis masalah ke berbagai representasi yang diperlukan, dan kumpulan metode pengoptimalan kuantum sederhana.
Kesimpulan
Kesimpulannya, sementara superkomputer tercepat yang sekarang tersedia membutuhkan waktu bertahun-tahun, komputer kuantum dapat dengan cepat menerobos metode enkripsi saat ini.
Terlepas dari kenyataan bahwa komputer kuantum akan mampu memecahkan banyak teknik enkripsi yang digunakan saat ini, diantisipasi bahwa mereka akan membuat pengganti anti-retas.
Mengoptimalkan masalah adalah kekuatan komputer kuantum. Untuk detail lebih lanjut, silakan kunjungi Qiskit GitHub.
Tinggalkan Balasan