Skammtatölvun er ný tækni sem notar skammtaeðlisfræði til að takast á við vandamál sem eru umfram getu hefðbundinna tölva.
Mörg fyrirtæki eru nú að reyna að gera raunverulegan skammtafræðibúnað aðgengilegan fyrir tugþúsundir þróunaraðila, tæki sem vísindamenn dreymdu aðeins fyrir um þremur áratugum síðan.
Þess vegna eru verkfræðingar okkar oft að beita sífellt öflugri ofurleiðandi skammtatölvum, sem færa okkur nær þeim skammtatölvuhraða og getu sem nauðsynleg er til að breyta heiminum.
Í þessari færslu munum við skoða nánar skammtafræði og verkfærin og umgjörðina sem fylgja því, svo og hvar þau verða árið 2022.
Hvað er skammtafræði?
Þessar ofurtölvur eru byggðar á meginreglunum um superposition og flækju, sem eru tveir þættir skammtaeðlisfræðinnar. Skammtatölvur geta nú unnið verkefni á hraða sem er stærðargráðu hraðar en hefðbundnar tölvur á meðan þær nota mun minni orku.
Á níunda áratugnum kom svið skammtafræðinnar upp. Þá kom í ljós að skammtareiknirit voru skilvirkari en hefðbundin ígildi þeirra við að leysa ákveðin tölvuverkefni.
Skammtafræði er fræðigrein tölvunarfræði sem leggur áherslu á framfarir í tölvutækni sem byggir á hugmyndum skammtafræðinnar. Það nýtir sér ótrúlega hæfileika undirkjarna agna til að vera til í nokkrum ríkjum í einu, eins og 0 og 1. Þær geta unnið töluvert fleiri gögn en venjulegar tölvur.
Skammtaástand hlutar er notað til að búa til qubit í skammtatölvunaraðgerðum. Qubits eru grundvallargagnaeiningar skammtafræðinnar. Í skammtatölvum þjóna þeir sama starfi og bitar vinna í venjulegri tölvuvinnslu, en þeir hegða sér nokkuð öðruvísi.
Hefðbundnir bitar eru tvöfaldir og geta aðeins haldið stöðunni 0 eða 1, en qubitar geta falið í sér yfirsetningu allra mögulegra ríkja.
Bestu rammar fyrir skammtatölvuna
1. Circq
Cirq var smíðað af Quantum AI teymi Google. Það er notað til að hanna og bæta skammtarásir sem síðan eru prófaðar á skammtatölvum og hermum. Cirq er frábært þar sem það býður upp á þróunarherma sem eru nokkuð svipaðir þeim sem sjást í raunveruleikanum.
Þetta gefur til kynna að bókasafnið vinnur sig í gegnum vélbúnaðarupplýsingarnar í kringum NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum) þannig að við getum verið viss um að hægt sé að keyra reikniritið eða hringrásina á raunverulegri skammtatölvu eftir að henni er lokið.
Þar af leiðandi hefur það möguleika á að vera nýtt til að búa til aðlögunarhæfar og dreifanlegar skammtarásir. Það hefur einnig samvirknieiginleika. Hugbúnaður sem flytur inn og út skammtarásir og uppgerð, til dæmis.
Rammi til að forrita skammtatölvur sem eru opinn uppspretta. Cirq er a Python hugbúnaðarpakka sem gerir þér kleift að búa til, meðhöndla og fínstilla skammtarásir áður en þú keyrir þær á skammtatölvum og hermum.
Cirq er skilvirk útdráttur til að takast á við hávaðasamar skammtatölvur á meðalstærð í dag, þar sem kröfur um vélbúnað eru mikilvægar til að ná háþróaðri niðurstöðum.
Aðstaða
- Frá hliðum sem starfa á qubits geturðu lært hvernig á að hanna skammtarásir. Lærðu hvað augnablik er og hvernig ýmsar innsetningaraðferðir gætu aðstoðað þig við að smíða þína fullkomnu hringrás. Lærðu hvernig á að sneiða og teninga hringrásir til að búa til nýjar og endurbætta hringrásir.
- Tæknitakmarkanir hafa veruleg áhrif á hvort hægt sé að útfæra hringrás á nútíma vélbúnað eða ekki. Lærðu hvernig á að forrita skammtatölvuþjónustu Google og hvernig á að búa til tæki til að bregðast við þessum takmörkunum.
- Bæði bylgjuaðgerðir og þéttleikafylki eru með innbyggða herma í Cirq. Hægt er að nota Monte Carlo eða fullþéttleika fylkislíkingar til að takast á við hávaðasamar skammtarásir.
- Til að framkvæma prófanir á skammtaörgjörvum Google, er Cirq í samstarfi við Quantum Computing Service.
2. ProjectQ
ETH Zurich bjó til ProjectQ, opinn uppspretta skammtatölvuhugbúnaðararkitektúr. Það veitir öflugt og einfalt setningafræði fyrir notendur að búa til skammtaforrit í Python. ProjectQ getur síðan breytt þessum forskriftum í hvers kyns bakenda, hvort sem það er klassískur tölvuhermi eða skammtavinnslu.
ProjectQ getur síðan umbreytt þessum forritum í hvers kyns bakenda, svo sem klassískan tölvuhermi eða skammtavinnslu, eins og IBM Quantum Experience vettvang.
Aðstaða
- ÞAÐ er á háu stigi forritunarmál fyrir skammtafræðiforrit.
- Það hefur mát og aðlögunarhæfan þýðanda.
- Það býður einnig upp á fjölda vélbúnaðar og hugbúnaðar bakenda.
- Skammtatölvusafn (FermiLib) til að leysa fermónísk vandamál
- IBM Quantum Experience kubbinn, AQT tæki, AWS Braket og IonQ þjónustutæki er hægt að nota til að keyra skammta reiknirit.
- Á hærra stigi abstrakt er hægt að líkja eftir skammtafræðiforritum (td líkja eftir aðgerðum stórra véfrétta í stað þess að setja þær saman í lágstig hlið)
- Á klassískum tölvum er hægt að líkja eftir skammtaforritum.
3. Tensoflow skammtafræði
Python ramminn TensorFlow Quantum (TFQ) er fyrir skammtafræði vél nám. TFQ er TensorFlow umsóknarrammi sem gerir rannsakendum í skammtafræði og vélanámi kleift að nota skammtatölvunaramma Google beint frá TensorFlow.
TensorFlow Quantum er forrit sem einbeitir sér að skammtagögnum og gerð skammta-klassískra blendinga. Það sameinar Cirq-hönnuð skammtafræðitækni og rökfræði við TensorFlow API, auk afkastamikilla skammtahringrásarherma.
Hægt er að nota TFQ rammann til að keyra bæði hefðbundin og blendingslíkön, eins og Quantum CNN (QCNN). Þess vegna er hægt að nota TFQ fyrir öll vandamál sem áður var ómögulegt að svara með hefðbundnum aðferðum. Til að svara ákveðnum raunverulegum vandamálum, byrjaðu á TFQ til að búa til skammta- eða skammtaklassísk blendingslíkön.
Aðstaða
- Vísindamenn geta notað TFQ til að búa til tensora með því að nota skammtagagnasöfn, skammtalíkön og hefðbundnar stýribreytur í einu reiknikerfi.
- Tensorar eru notaðir til að geyma skammtagögn (fjölvíddarfjöldi talna). Hverjum tensor skammtagagna er lýst sem Cirq skammtahringrás sem býr til skammtagögn á flugu.
- Rannsakandi getur notað Cirq til að frumgerð skammtafræði tauga net sem verður innifalið í TensorFlow reiknigrafi síðar.
- Getan til að þjálfa og framkvæma samtímis fjölmargar skammtarásir er aðalatriði TensorFlow Quantum.
4. Percevel
Perceval er opinn uppspretta rammi fyrir forritun ljóseindaskammtatölva þróað af Perceval, frönsku fyrirtæki sem leggur áherslu á að byggja upp nýja kynslóð skammtatölva sem byggjast á ljósameðferð.
Perceval býður upp á verkfæri til að semja rafrásir úr línulegum sjónrænum hlutum, skilgreina eins ljóseind uppsprettur, meðhöndla Fock ástand, keyra skammtafræði hermir, endurskapa útgefnar tilraunagreinar og gera tilraunir með nýja kynslóð skammtafræði reiknirit í gegnum einfalt hlutbundið Python API.
Markmið þess er að vera fylgitæki til að smíða skammtaljóseindarásir - til að líkja eftir og betrumbæta hönnun þeirra, móta bæði hugsjóna og raunverulega hegðun og bjóða upp á staðlað viðmót til að stjórna þeim með hugmyndinni um bakenda.
Það er fínstillt til að starfa á staðbundnu skjáborði, með mörgum endurbótum fyrir HPC klasa, og veitir aðgang að háþróuðum bakenda fyrir tölulega og táknræna uppgerð á skammtafræðireikniritum á ljóseindarásum.
Þú getur líka notað mikinn fjölda forsmíðaðra íhluta til að búa til reiknirit og flóknar línulegar ljósleiðararásir. Bókasafn með þekktum reikniritum er aðgengilegt, auk kennslustunda um notkun þeirra.
Þú getur líka notað nokkrar línur af kóða til að framkvæma tilraunir til að fínstilla reiknirit, bera saman við tilraunagögn og endurskapa útgefin rit.
Aðstaða
- Einstök arkitektúr sem er algjörlega tileinkuð línulegri ljósfræði og ljóseindaskammtatölvu
- Verkefnið er opið verkefni með einingaarkitektúr sem tekur á móti framlögum samfélagsins.
- Með því að nota risastórt safn af forsmíðuðum íhlutum, búðu til reiknirit og flóknar línulegar ljósleiðararásir. Bókasafn með þekktum reikniritum er aðgengilegt, auk kennslustunda um notkun þeirra.
- Gerðu tilraunir með reiknirit til að fínstilla þau, bera þau saman við tilraunagögn og afritaðu útgáfur sem fyrir eru í nokkrum línum af kóða.
- Til að líkja eftir skammtareikniritum á ljóseindarásum, notaðu háþróaða bakenda. Perceval er hannað til að keyra á staðbundnu skjáborði hvað varðar bæði tölulega og táknræna frammistöðu, með mörgum endurbótum fyrir HPC klasa.
5. Qiskit
Við vitum að ef við erum að tala um næstu kynslóðar tækni mun IBM hafa eitthvað fram að færa. Það gerir það svo sannarlega. QisKit er opinn uppspretta vettvangur til að þróa skammtafræðihugbúnað.
Qiskit er IBM-styrkt hugbúnaðarrammi sem auðveldar notendum að fræðast um skammtafræði. Þar sem erfitt er að nálgast skammtatölvur geturðu notað skýjaveitu eins og Qiskit verkfærakistu IBM til að fá aðgang að slíkri.
Það er algjörlega ókeypis í notkun og allur kóðinn er það opinn uppspretta. Það er til kennslubók á netinu sem kennir þér öll grundvallaratriði skammtaeðlisfræðinnar, sem er mjög gagnleg fyrir byrjendur sem ekki þekkja efnið.
Hægt er að nota skammtatölvur á stigi púlsa, hringrása og forritareininga.
Aðstaða
- Notendur á ýmsum stigum geta notað Qiskit til rannsókna og þróunar forrita vegna þess að það kemur með fullkomið safn skammtafræðihliða og úrval af forbyggðum hringrásum.
- Þú getur notað Qiskit Runtime til að samræma skammtaforrit á skýjatengdum örgjörvum, QPU og GPU, auk þess að keyra og skipuleggja starfsemi á raunverulegum skammtaörgjörvum.
- Transpilerinn breytir Qiskit kóða í skilvirka hringrás sem notar innfædda hliðarsett bakendans, sem gerir notendum kleift að hanna fyrir hvaða skammtavinnslu eða arkitektúr sem er með lágmarksinntaki.
Niðurstaða
Til að draga saman þá geta skammtatölvur komist fljótt inn í dulkóðunartækni nútímans á stuttum tíma, en besta ofurtölvan sem hægt er að nálgast núna tekur mörg ár.
Þrátt fyrir þá staðreynd að skammtatölvur muni geta sprungið mörg af dulkóðunarkerfum nútímans, er búist við að þær myndu þróa innbrotshelda valkosti. Skammtatölvur eru frábærar í að takast á við hagræðingarvandamál.
Skildu eftir skilaboð