Кванттық есептеулер – дәстүрлі компьютерлердің мүмкіндіктерінен тыс мәселелерді шешу үшін кванттық физиканы қолданатын жаңа технология.
Қазір көптеген компаниялар нақты кванттық жабдықты он мыңдаған әзірлеушілерге қолжетімді етуге тырысуда, бұл құралды ғалымдар шамамен XNUMX жыл бұрын ғана армандаған.
Нәтижесінде біздің инженерлер бізді әлемді өзгерту үшін қажетті кванттық есептеу жылдамдығы мен сыйымдылығына жақындата отырып, қуатты асқын өткізгіш кванттық компьютерлерді жиі қолданады.
Бұл мақалада біз егжей-тегжейлі қарастырамыз кванттық есептеу және онымен бірге жүретін құралдар мен жақтаулар, сондай-ақ олардың 2022 жылы қайда болатыны.
Кванттық есептеу дегеніміз не?
Бұл суперкомпьютерлер кванттық физиканың екі аспектісі болып табылатын суперпозиция және түйісу принциптеріне негізделген. Кванттық компьютерлер енді әлдеқайда аз энергияны пайдалана отырып, әдеттегі компьютерлерге қарағанда үлкен жылдамдықпен тапсырмаларды орындай алады.
1980 жылдары кванттық есептеулер саласы пайда болды. Содан кейін белгілі бір компьютерлік тапсырмаларды шешуде кванттық алгоритмдер олардың әдеттегі эквиваленттеріне қарағанда тиімдірек екендігі анықталды.
Кванттық есептеулер - бұл кванттық теория тұжырымдамаларына негізделген компьютерлік технологияны дамытуға бағытталған информатика пәні. Ол субатомдық бөлшектердің 0 және 1 сияқты бірден бірнеше күйде болуының ерекше қабілетін пайдаланады. Олар қарапайым компьютерлерге қарағанда әлдеқайда көп деректерді өңдеуге қабілетті.
Элементтің кванттық күйі кванттық есептеу операцияларында кубит жасау үшін пайдаланылады. Кубиттер кванттық есептеулердің негізгі деректер бірліктері болып табылады. Кванттық есептеулерде олар кәдімгі есептеулерде бит жасайтын жұмысты орындайды, бірақ олар мүлдем басқаша әрекет етеді.
Дәстүрлі бит екілік болып табылады және тек 0 немесе 1 орнын сақтай алады, ал кубиттер барлық мүмкін күйлердің суперпозициясын қамтуы мүмкін.
Кванттық есептеулерге арналған ең жақсы фреймворктер
1. Цирк
Циркті Google компаниясының Quantum AI командасы салған. Ол кванттық схемаларды жобалау және жақсарту үшін пайдаланылады, содан кейін кванттық компьютерлер мен симуляторларда сыналады. Cirq керемет, өйткені ол нақты өмірде көрінетіндерге өте ұқсас даму тренажерларын ұсынады.
Бұл кітапхананың NISQ (шулы орта масштабты кванттық) айналасындағы аппараттық құрал бөлшектері арқылы жұмыс істейтінін білдіреді, осылайша алгоритм немесе схема аяқталғаннан кейін нақты кванттық компьютерде іске қосылатынына сенімді бола аламыз.
Нәтижесінде оның бейімделгіш және орналастырылатын кванттық тізбектерді жасау үшін пайдалану мүмкіндігі бар. Оның өзара әрекеттесу мүмкіндіктері де бар. Мысалы, кванттық схемалар мен модельдеулерді импорттайтын және экспорттайтын бағдарламалық құрал.
Ашық коды бар кванттық компьютерлерді бағдарламалауға арналған құрылым. Цирк – а Python кванттық схемаларды кванттық компьютерлер мен симуляторларда орындамас бұрын жасауға, өңдеуге және оңтайландыруға мүмкіндік беретін бағдарламалық пакет.
Cirq - қазіргі шулы аралық масштабты кванттық компьютерлермен жұмыс істеуге арналған тиімді абстракция, мұнда аппараттық қамтамасыз ету талаптары озық нәтижелерге қол жеткізу үшін маңызды.
Мүмкіндіктер
- Кубиттерде жұмыс істейтін қақпалардан кванттық тізбектерді құрастыруды үйренуге болады. Момент деген не екенін және әртүрлі кірістіру тактикасы тамаша схеманы құруға қалай көмектесетінін біліңіз. Жаңа және жетілдірілген схемаларды жасау үшін тізбектерді кесу және кесуді үйреніңіз.
- Технологиялық шектеулер тізбекті заманауи аппараттық құралға енгізуге немесе іске асыруға айтарлықтай әсер етеді. Google Quantum Computing Service бағдарламасын бағдарламалауды және осы шектеулерді шешу үшін құрылғыларды қалай жасау керектігін біліңіз.
- Толқындық функциялардың да, тығыздық матрицаларының да Cirq жүйесінде кірістірілген симуляторлары бар. Шулы кванттық арналармен күресу үшін Монте-Карло немесе толық тығыздық матрицалық модельдеуді пайдалануға болады.
- Google кванттық процессорларында сынақтарды орындау үшін Cirq Quantum Computing Service-пен ынтымақтасады.
2. ProjectQ
ETH Zurich ProjectQ, ашық бастапқы кванттық есептеуіш бағдарламалық қамтамасыз ету архитектурасын жасады. Ол сенімді және қарапайым мүмкіндік береді синтаксис пайдаланушыларға Python-да кванттық қолданбаларды жасау. Содан кейін ProjectQ бұл сценарийлерді классикалық компьютерлік симулятор немесе кванттық процессор болсын, кез келген сервер түріне түрлендіре алады.
Содан кейін ProjectQ бұл қолданбаларды классикалық компьютер тренажеры немесе IBM Quantum Experience платформасы сияқты кванттық процессор сияқты кез келген сервер түріне түрлендіре алады.
Мүмкіндіктер
- IT жоғары деңгей бағдарламалау тілі кванттық бағдарламалар үшін.
- Оның модульдік және бейімделгіш компиляторы бар.
- Ол сонымен қатар бірқатар аппараттық және бағдарламалық қамтамасыз етуді ұсынады.
- Фермиондық мәселелерді шешуге арналған кванттық компьютерлік кітапхана (FermiLib).
- IBM Quantum Experience чипі, AQT құрылғылары, AWS Braket және IonQ қызметімен қамтамасыз етілген құрылғылардың барлығы кванттық алгоритмдерді іске қосу үшін пайдаланылуы мүмкін.
- Абстракцияның жоғары деңгейінде кванттық бағдарламаларды эмуляциялауға болады (мысалы, оларды төмен деңгейлі қақпаларға құрастырудың орнына үлкен оракулдардың әрекетін имитациялау)
- Классикалық компьютерлерде кванттық бағдарламаларды модельдеуге болады.
3. Tensoflow кванты
Python негізі TensorFlow Quantum (TFQ) кванттыққа арналған машина оқыту. TFQ – кванттық алгоритм мен машиналық оқытуды зерттеушілерге Google кванттық есептеу жүйелерін тікелей TensorFlow жүйесінен пайдалануға мүмкіндік беретін TensorFlow қолданбалы жүйесі.
TensorFlow Quantum — кванттық деректерге және кванттық-классикалық гибридті үлгілерді жасауға бағытталған бағдарлама. Ол Cirq әзірлеген кванттық есептеу әдістері мен логиканы TensorFlow API интерфейстерімен, сондай-ақ өнімділігі жоғары кванттық схема симуляторларымен біріктіреді.
TFQ құрылымын Quantum CNN (QCNN) сияқты дәстүрлі және гибридті үлгілерді іске қосу үшін пайдалануға болады. Нәтижесінде, TFQ дәстүрлі тәсілдерді қолдана отырып, бұрын жауап беру мүмкін болмаған кез келген мәселе үшін пайдаланылуы мүмкін. Белгілі бір нақты мәселелерге жауап беру үшін кванттық немесе кванттық-классикалық гибридті үлгілерді жасау үшін TFQ-дан бастаңыз.
Мүмкіндіктер
- Зерттеушілер бір есептеу желісінде кванттық деректер жиынын, кванттық модельдерді және әдеттегі басқару параметрлерін пайдаланып тензорларды жасау үшін TFQ пайдалана алады.
- Тензорлар кванттық деректерді (сандардың көп өлшемді массиві) сақтау үшін қолданылады. Кванттық деректердің әрбір тензоры кванттық деректерді жылдам жасайтын Cirq кванттық тізбегі ретінде сипатталады.
- Зерттеуші квантты прототип жасау үшін Cirq пайдалана алады нейрондық желі ол кейінірек TensorFlow есептеу графигіне қосылады.
- Көптеген кванттық тізбектерді бір мезгілде жаттықтыру және орындау мүмкіндігі TensorFlow Quantum бағдарламасының басты ерекшелігі болып табылады.
4. Перцевел
Perceval — жарық манипуляциясына негізделген кванттық компьютерлердің жаңа буынын құруға бағытталған француздық компания Perceval әзірлеген фотонды кванттық компьютерлерді бағдарламалауға арналған ашық бастапқы негіз.
Perceval қарапайым объектіге бағытталған Python API арқылы сызықтық оптикалық құрамдас бөліктерден схемалар құруға, бір фотонды көздерді анықтауға, Фок күйлерін басқаруға, кванттық симуляцияларды іске қосуға, жарияланған эксперименттік құжаттарды шығаруға және кванттық алгоритмдердің жаңа буынымен тәжірибе жасауға арналған құралдарды ұсынады.
Оның мақсаты кванттық фотоникалық схемаларды құруға арналған қосымша құрал болу - олардың дизайнын имитациялау және нақтылау, идеалды және нақты мінез-құлықты модельдеу және оларды серверлер түсінігі арқылы басқару үшін стандартталған интерфейсті ұсыну.
Ол HPC кластерлеріне арналған көптеген жақсартулары бар жергілікті жұмыс үстелінде жұмыс істеуге оңтайландырылған және фотоникалық тізбектердегі кванттық алгоритмдерді сандық және символдық модельдеу үшін күрделі серверлерге қол жеткізуді қамтамасыз етеді.
Сондай-ақ, алгоритмдер мен күрделі сызықтық оптикалық тізбектерді жасау үшін алдын ала дайындалған құрамдастардың кең санын пайдалануға болады. Белгілі алгоритмдердің кітапханасы, сондай-ақ оларды пайдалану туралы сабақтар қолжетімді.
Сондай-ақ, алгоритмдерді дәл баптау, эксперименттік деректермен салыстыру және жарияланған жарияланымдарды қайта жасау үшін эксперименттерді орындау үшін кодтың бірнеше жолын пайдалануға болады.
Мүмкіндіктер
- Толығымен сызықтық оптикаға және фотондық кванттық есептеулерге арналған бірегей архитектура
- Жоба қауымдастық салымдарын құптайтын модульдік архитектурасы бар ашық бастапқы жоба.
- Құрастырылған компоненттердің үлкен кітапханасын пайдаланып, алгоритмдер мен күрделі сызықтық оптикалық схемаларды жасаңыз. Белгілі алгоритмдердің кітапханасы, сондай-ақ оларды пайдалану туралы сабақтар қолжетімді.
- Оларды дәл баптау, эксперименттік деректермен салыстыру және бар жарияланымдарды кодтың бірнеше жолына көшіру үшін алгоритмдермен тәжірибе жасаңыз.
- Фотондық тізбектерде кванттық алгоритмдерді эмуляциялау үшін күрделі серверлерді пайдаланыңыз. Perceval HPC кластерлері үшін көптеген жақсартулары бар сандық және символдық өнімділік тұрғысынан жергілікті жұмыс үстелінде жұмыс істеуге арналған.
5. Қискит
Біз келесі ұрпақ технологиясы туралы айтатын болсақ, IBM ұсынатын нәрсе болатынын білеміз. Бұл, әрине. QisKit кванттық бағдарламалық жасақтаманы әзірлеуге арналған ашық бастапқы платформа болып табылады.
Qiskit — пайдаланушыларға білуді жеңілдететін IBM қаржыландыратын бағдарламалық құрал кванттық есептеу. Кванттық компьютерлерді табу қиын болғандықтан, біреуіне қол жеткізу үшін IBM компаниясының Qiskit құралдар жинағы сияқты бұлттық провайдерді пайдалануға болады.
Оны пайдалану толығымен тегін және барлық код ашық бастапқы. Сізге кванттық физиканың барлық негіздерін үйрететін онлайн оқулық бар, бұл пәнмен таныс емес жаңадан бастағандар үшін өте пайдалы.
Кванттық компьютерлерді импульстар, тізбектер және қолданбалы модульдер деңгейінде пайдалануға болады.
Мүмкіндіктер
- Әртүрлі деңгейдегі пайдаланушылар Qiskit-ті зерттеулер мен қолданбаларды әзірлеу үшін пайдалана алады, себебі ол кванттық қақпалардың толық жинағымен және алдын ала құрастырылған тізбектердің ауқымымен келеді.
- Qiskit Runtime бағдарламасын бұлтқа негізделген процессорлардағы, QPUs және GPU құрылғыларындағы кванттық қолданбаларды үйлестіру, сондай-ақ нақты кванттық процессорлардағы әрекеттерді орындау және жоспарлау үшін пайдалануға болады.
- Транспилер Qiskit кодын сервердің жергілікті қақпалар жинағын пайдалана отырып тиімді схемаға түрлендіреді, бұл пайдаланушыларға минималды кірістері бар кез келген кванттық процессор немесе архитектура үшін дизайн жасауға мүмкіндік береді.
қорытынды
Қорытындылай келе, кванттық компьютерлер қазіргі шифрлау әдістеріне қысқа уақыт ішінде тез еніп кете алады, ал қазір қол жетімді ең үлкен суперкомпьютерге жылдар қажет.
Кванттық компьютерлер бүгінгі шифрлау схемаларының көпшілігін бұзуға қабілетті болатынына қарамастан, олар бұзылуға төзімді баламаларды жасайды деп күтілуде. Кванттық компьютерлер оңтайландыру мәселелерін шешуде керемет.
пікір қалдыру