L'informatica quantistica è una nuova tecnologia che utilizza la fisica quantistica per affrontare problemi che vanno oltre le capacità dei computer tradizionali.
Molte aziende stanno ora tentando di mettere a disposizione di decine di migliaia di sviluppatori hardware quantistico reale, uno strumento che gli scienziati sognavano solo tre decenni fa.
Di conseguenza, i nostri ingegneri implementano spesso computer quantistici superconduttori sempre più potenti, avvicinandoci alla velocità e alla capacità di calcolo quantistico necessarie per alterare il mondo.
In questo post, daremo un'occhiata più da vicino calcolo quantistico e gli strumenti e le strutture che ne derivano, oltre a dove saranno nel 2022.
Cos'è il Quantum Computing?
Questi supercomputer sono costruiti sui principi della sovrapposizione e dell'entanglement, che sono due aspetti della fisica quantistica. I computer quantistici ora possono eseguire attività a velocità di ordini di grandezza più veloci rispetto ai computer tradizionali utilizzando molta meno energia.
Negli anni '1980 sorse l'area dell'informatica quantistica. Quindi è stato rivelato che gli algoritmi quantistici erano più efficienti dei loro equivalenti convenzionali nella risoluzione di determinati compiti del computer.
L'informatica quantistica è una disciplina dell'informatica che si concentra sul progresso della tecnologia informatica basata sui concetti della teoria quantistica. Sfrutta la straordinaria capacità delle particelle subatomiche di esistere in diversi stati contemporaneamente, come 0 e 1. Sono in grado di elaborare molti più dati rispetto ai normali computer.
Lo stato quantistico di un elemento viene utilizzato per creare un qubit nelle operazioni di calcolo quantistico. I qubit sono le unità di dati fondamentali del calcolo quantistico. Nell'informatica quantistica, svolgono lo stesso lavoro che i bit svolgono nell'informatica ordinaria, ma si comportano in modo abbastanza diverso.
I bit tradizionali sono binari e possono mantenere solo una posizione di 0 o 1, mentre i qubit possono includere una sovrapposizione di tutti i possibili stati.
I migliori framework per il calcolo quantistico
1. Circo
Cirq è stato creato dal team Quantum AI di Google. Viene utilizzato per progettare e migliorare circuiti quantistici che vengono poi testati su computer e simulatori quantistici. Cirq è fantastico poiché offre simulatori di sviluppo abbastanza simili a quelli visti nella vita reale.
Ciò implica che la libreria si fa strada attraverso i dettagli hardware che circondano NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum) in modo da poter essere sicuri che l'algoritmo o il circuito possa essere eseguito su un vero computer quantistico una volta terminato.
Di conseguenza, ha il potenziale per essere sfruttato per creare circuiti quantistici adattivi e dispiegabili. Ha anche funzionalità di interoperabilità. Un software che importa ed esporta circuiti quantistici e simulazioni, ad esempio.
Un framework per la programmazione di computer quantistici open-source. Circo è un Python pacchetto software che consente di creare, manipolare e ottimizzare i circuiti quantistici prima di eseguirli su computer e simulatori quantistici.
Cirq è un'astrazione efficiente per gestire i rumorosi computer quantistici su scala intermedia di oggi, in cui i requisiti hardware sono fondamentali per ottenere risultati all'avanguardia.
Caratteristiche
- Dalle porte che operano su qubit, puoi imparare a progettare circuiti quantistici. Scopri cos'è un Momento e come varie tattiche di inserimento potrebbero aiutarti a costruire il tuo circuito ideale. Impara come affettare e tagliare i circuiti per creare circuiti nuovi e migliorati.
- Le restrizioni tecnologiche hanno un'influenza significativa sull'implementazione o meno di un circuito sull'hardware contemporaneo. Scopri come programmare il Quantum Computing Service di Google e come creare dispositivi per affrontare queste limitazioni.
- Sia le funzioni d'onda che le matrici di densità hanno simulatori integrati in Cirq. Le simulazioni Monte Carlo o di matrice a densità piena possono essere utilizzate per affrontare i canali quantistici rumorosi.
- Per eseguire test sui processori quantistici di Google, Cirq collabora con Quantum Computing Service.
2. Progetto Q
L'ETH di Zurigo ha creato ProjectQ, un'architettura software di calcolo quantistico open source. Fornisce un robusto e diretto sintassi per consentire agli utenti di creare applicazioni quantistiche in Python. ProjectQ può quindi convertire questi script in qualsiasi forma di back-end, che si tratti di un classico simulatore di computer o di un processore quantistico.
ProjectQ può quindi convertire queste applicazioni in qualsiasi tipo di back-end, come un classico simulatore di computer o un processore quantistico, come la piattaforma IBM Quantum Experience.
Caratteristiche
- L'IT è di alto livello linguaggio di programmazione per i programmi quantistici.
- Ha un compilatore modulare e adattabile.
- Offre anche una serie di backend hardware e software.
- Una libreria di computer quantistici (FermiLib) per la risoluzione di problemi fermionici
- Il chip IBM Quantum Experience, i dispositivi AQT, AWS Braket e i dispositivi forniti dal servizio IonQ possono essere utilizzati per eseguire algoritmi quantistici.
- A un livello più alto di astrazione, i programmi quantistici possono essere emulati (ad esempio, imitando l'azione di grandi oracoli invece di compilarli su porte di basso livello)
- Sui computer classici, i programmi quantistici possono essere simulati.
3. Tensoflow quantistico
Il framework Python TensorFlow Quantum (TFQ) è per il quantum machine learning. TFQ è un framework applicativo TensorFlow che consente ai ricercatori di algoritmi quantistici e di apprendimento automatico di utilizzare i framework di calcolo quantistico di Google direttamente da TensorFlow.
TensorFlow Quantum è un programma che si concentra sui dati quantistici e sulla creazione di modelli ibridi quantistici-classici. Combina le tecniche e la logica di calcolo quantistico progettate da Cirq con le API TensorFlow, nonché simulatori di circuiti quantistici ad alte prestazioni.
Il framework TFQ può essere utilizzato per eseguire modelli sia tradizionali che ibridi, come Quantum CNN (QCNN). Di conseguenza, TFQ può essere utilizzato per qualsiasi problema a cui era precedentemente impossibile rispondere utilizzando gli approcci tradizionali. Per rispondere ad alcuni problemi del mondo reale, inizia con TFQ per creare modelli ibridi quantistici o quantistici classici.
Caratteristiche
- I ricercatori possono utilizzare TFQ per creare tensori utilizzando set di dati quantistici, modelli quantistici e parametri di controllo convenzionali in un'unica rete computazionale.
- I tensori vengono utilizzati per memorizzare dati quantistici (una matrice multidimensionale di numeri). Ogni tensore di dati quantistici è descritto come un circuito quantistico Cirq che crea dati quantistici al volo.
- Il ricercatore può utilizzare Circq per prototipare un quanto rete neurale che verrà incluso in un grafico di calcolo TensorFlow in seguito.
- La capacità di addestrare ed eseguire contemporaneamente numerosi circuiti quantistici è una caratteristica importante di TensorFlow Quantum.
4. Percepire
Perceval è un framework open source per la programmazione di computer quantistici fotonici sviluppato da Perceval, un'azienda francese che si concentra sulla costruzione di una nuova generazione di computer quantistici basati sulla manipolazione della luce.
Perceval offre strumenti per comporre circuiti da componenti ottici lineari, definire sorgenti di fotoni singoli, manipolare stati di Fock, eseguire simulazioni quantistiche, riprodurre documenti sperimentali pubblicati e sperimentare una nuova generazione di algoritmi quantistici attraverso una semplice API Python orientata agli oggetti.
Il suo obiettivo è quello di essere uno strumento complementare per la costruzione di circuiti fotonici quantistici, per simulare e perfezionare il loro design, modellare il comportamento ideale e reale e offrire un'interfaccia standardizzata per controllarli tramite la nozione di back-end.
È ottimizzato per funzionare su un desktop locale, con molti miglioramenti per i cluster HPC, e fornisce accesso a sofisticati backend per la simulazione numerica e simbolica di algoritmi quantistici su circuiti fotonici.
È inoltre possibile utilizzare un ampio numero di componenti prefabbricati per creare algoritmi e complicati circuiti di ottica lineare. È accessibile una libreria di noti algoritmi e lezioni su come utilizzarli.
Puoi anche utilizzare alcune righe di codice per eseguire esperimenti per mettere a punto algoritmi, confrontare dati sperimentali e ricreare pubblicazioni pubblicate.
Caratteristiche
- Un'architettura unica nel suo genere dedicata interamente all'ottica lineare e al calcolo quantistico fotonico
- Il progetto è un progetto open source con un'architettura modulare che accoglie i contributi della comunità.
- Utilizzando una vasta libreria di componenti prefabbricati, crea algoritmi e complicati circuiti di ottica lineare. È accessibile una libreria di noti algoritmi e lezioni su come utilizzarli.
- Sperimenta algoritmi per perfezionarli, confrontarli con dati sperimentali e copiare pubblicazioni esistenti in poche righe di codice.
- Per emulare algoritmi quantistici su circuiti fotonici, usa backend sofisticati. Perceval è progettato per essere eseguito su un desktop locale in termini di prestazioni sia numeriche che simboliche, con molti miglioramenti per i cluster HPC.
5. Qikit
Sappiamo che se parliamo di tecnologia di nuova generazione, IBM avrà qualcosa da offrire. Certamente lo fa. Qiskit è una piattaforma open source per lo sviluppo di software quantistico.
Qiskit è un framework software finanziato da IBM che semplifica la conoscenza da parte degli utenti calcolo quantistico. Poiché i computer quantistici sono difficili da trovare, puoi utilizzare un fornitore di servizi cloud come il toolkit Qiskit di IBM per ottenere l'accesso a uno di essi.
È completamente gratuito da usare e tutto il codice lo è open source. C'è un libro di testo online che ti insegna tutti i fondamenti della fisica quantistica, che è molto utile per i principianti che non hanno familiarità con la materia.
I computer quantistici possono essere utilizzati a livello di impulsi, circuiti e moduli applicativi.
Caratteristiche
- Gli utenti di vari livelli possono utilizzare Qiskit per la ricerca e lo sviluppo di applicazioni perché viene fornito con una raccolta completa di porte quantistiche e una gamma di circuiti prefabbricati.
- Puoi utilizzare Qiskit Runtime per coordinare le applicazioni quantistiche su CPU, QPU e GPU basate su cloud, nonché eseguire e pianificare attività su processori quantistici effettivi.
- Il transpiler converte il codice Qiskit in un circuito efficiente che utilizza il set di porte native del backend, consentendo agli utenti di progettare per qualsiasi processore quantistico o architettura con input minimi.
Conclusione
Per riassumere, i computer quantistici possono penetrare rapidamente nelle tecniche di crittografia odierne in un breve lasso di tempo, mentre il più grande supercomputer accessibile ora richiede anni.
Nonostante il fatto che i computer quantistici saranno in grado di decifrare molti degli schemi di crittografia odierni, si prevede che svilupperanno alternative a prova di hacker. I computer quantistici sono fantastici nell'affrontare i problemi di ottimizzazione.
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