Сандық өзгерістерге байланысты әлем бұрынғыдан да жылдам өзгеруде.
Ағымдағы парадигмаларды таңғаларлық жылдамдықпен және қуатпен түбегейлі өзгертуге қабілетті технологияның тағы бір жаңа толқынының пайда болуымен: кванттық есептеулер, цифрлық дәуірдің іргелі идеяларын түсіну одан да маңыздырақ болады.
Кванттық есептеулер деп аталатын серпіліс техникасы кәдімгі компьютерлердің ауқымынан тыс мәселелерді шешу үшін кванттық физиканы пайдаланады.
Кванттық теория принциптері зат пен энергияның атомдық және субатомдық масштабта қалай әрекет ететінін көрсетеді және IBM компаниясының Qiskit - кванттық есептеу жүйелерін құруға көмектесетін ашық бастапқы кванттық бағдарламалық құралды әзірлеу жинағы.
Бұл мақала осыны түсіндіруге және кванттық есептеулерге шолу жасауға тырысады.
Біз оқырмандарға ашық бастапқы кванттық есептеулер көмегімен түсіндіреміз SDK, яғни. Qiskit және оларды пайдаланып зерттеуге мүмкіндік беріңіз Jupyter Notebooks IBM Quantum Lab зертханасында орналастырылған.
Кванттық есептеу дегеніміз не?
Кванттық есептеу кванттық теорияның идеяларын пайдалана отырып, компьютерлік технологияны дамытуға бағытталған информатика саласы.
Ол 0 және 1 сияқты көптеген күйлерде бір уақытта болу үшін субатомдық бөлшектердің ерекше мүмкіндіктерін пайдаланады.
Олар қарапайым компьютерлерге қарағанда әлдеқайда көп деректерді өңдей алады.
Кванттық есептеу процестерінде кубит объектінің кванттық күйі арқылы жасалады. Кванттық есептеулердегі ақпараттың маңызды бөліктері - кубиттер.
Олар кванттық есептеулердегі кәдімгі есептеулердегі биттермен бірдей функцияны орындайды, бірақ олар мүлдем басқаша әрекет етеді. Кванттық есептеулер 1980 жылдары пайда болған сала.
Содан кейін кванттық алгоритмдер классикалық әріптестеріне қарағанда кейбір компьютерлік тапсырмаларды орындауда тиімдірек екені анықталды.
Суперпозиция мен түйісу, кванттық физиканың екі тұжырымдамасы осы суперкомпьютерлердің негізі болып табылады.
Кәдімгі компьютерлермен салыстырғанда, кванттық компьютерлер қазіргі уақытта үлкен көлемдегі тапсырмаларды тезірек орындай алады, сонымен бірге энергияны әлдеқайда аз тұтына алады.
Біз оны толық түсіну үшін кванттық компьютерлердің жұмысын жалғастыруымыз керек. Қазір бастайық.
Кванттық компьютер шынымен қалай жұмыс істейді?
Біз үйренген дәстүрлі компьютерлермен салыстырғанда, кванттық компьютерлер мәселені шешуге басқаша қарайды. Кейбір тапсырмалар үшін кванттық компьютерлер әртүрлі жолдармен дәстүрлі компьютерлерге артықшылық береді.
Олардың бірден көптеген штаттарда өмір сүру мүмкіндігі себеп деп саналады. Екінші жағынан, кәдімгі компьютерлер бірден бір күйде болуы мүмкін.
Кванттық компьютерлер қалай жұмыс істейтінін түсіну үшін үш негізгі ұғымды түсіну керек:
- Суперпозиция.
- Шатасу.
- Кедергі.
Суперпозиция
Биттер дәстүрлі компьютерлердің негізгі құрамдас бөліктері болып табылады. Кванттық бит немесе кубиттер кванттық компьютерлердің негізгі бірліктері болып табылады.
Негізінде кванттық биттер басқаша жұмыс істейді. Кейде дәстүрлі бит ретінде белгілі екілік бит 0 немесе 1 болуы мүмкін қосқыш болып табылады.
Біз оны өлшеген кезде биттің ағымдағы күйін аламыз. Кубиттер - бұл ерекшелік. Кубиттерді үш өлшемді көрсететін көрсеткілермен салыстыруға болады.
Олар жоғары бағытталған болса, 0 жағдайында болады. Егер олар төмен қараса, олар 1 күйде болады. Классикалық биттермен де солай.
Дегенмен, олар суперпозиция күйінде болуды да таңдай алады.
Көрсеткі кез келген басқа бағытты көрсететін күйде. 0 және 1 суперпозициясы осы күйге әкеледі. Кубит өлшенген кезде нәтиже ретінде әлі де 1 немесе 0 береді.
Дегенмен, көрсеткінің бағыты сәйкес келетін ықтималдықты анықтайды.
Көрсеткі негізінен төмен қараса, 1 және жоғары қараса, 0 алу ықтималдығы жоғары.
Көрсеткі орталықта болса, әрқайсысы үшін 50% ұту мүмкіндігіне ие боласыз. Бір сөзбен айтқанда, бұл суперпозиция.
Бақылау
Дәстүрлі компьютердегі биттер бір-бірінен тәуелсіз. Бір биттің күйі екінші биттің күйіне әсер етпейді.
Кванттық компьютерлердегі кубиттер бір-бірімен араласып кетуі мүмкін. Бұл олардың бір үлкен кванттық күйге бірігуін білдіреді.
Көрнекілік үшін әр түрлі суперпозиция күйінде тұрған, бірақ әлі түйіспеген екі кубитті қарастырайық. Бұл уақытта олардың ықтималдығы бір-біріне тәуелді емес.
Біз оларды шатастырған кезде, біз бұл тәуелсіз ықтималдықтарды алып тастауымыз керек және біз құтылуға болатын барлық балама күйлердің, атап айтқанда, 00, 01, 10 және 11 ықтималдықтарын анықтауымыз керек.
Кубиттер шиеленіскендіктен бір кубиттегі көрсеткі бағыты өзгертілсе, бүкіл жүйенің ықтималдық үлестірімі өзгереді.
Кубиттердің бір-бірінен тәуелсіздігі жойылды. Олардың әрқайсысы бірдей өлшемді мемлекеттің құрамдас бөлігі болып табылады. Сізде қанша құбит болса да, бұл бәрібір.
n кубиті бар кванттық компьютер үшін 2n күйдің мүмкін комбинациясы бар.
Сізде екі күй бойынша ықтималдық үлестірімі бар, мысалы, бір кубит үшін. Сізде екі кубит және т.б. үшін төрт күй бойынша ықтималдық үлестірімі бар. Классикалық және кванттық компьютерлер арасындағы негізгі айырмашылық мынада.
Классикалық компьютерлерді өзіңіз таңдаған кез келген жағдайда қоюға болады, бірақ бір уақытта бір ғана. Бұл күйлердің барлығы кванттық компьютерлерде суперпозиция ретінде бір мезгілде болуы мүмкін.
Бір уақытта барлық мемлекеттерде болу компьютерге қалай пайда әкеледі? Интерференцияның соңғы элементі осы кезде енеді.
кедергі
Кванттық толқын функциясын кубит күйін сипаттау үшін пайдалануға болады.
Кванттық физикадағы барлық нәрсенің іргелі математикалық сипаттамасы толқындық функциялармен қамтамасыз етіледі.
Көптеген кубиттер шатастырылған кезде, олардың жеке толқындық функциялары кванттық компьютердің жалпы күйін сипаттайтын бір толқындық функцияны құру үшін біріктіріледі.
Интерференция - бұл толқындық функцияларды қосудың нәтижесі. Толқындар бір-біріне қосылғанда, олар конструктивті түрде өзара әрекеттесіп, су толқындары сияқты үлкенірек толқын жасау үшін біріктірілуі мүмкін.
Олар бір-біріне қарсы тұру үшін деструктивті әрекеттесе алады. Әртүрлі күйлердің әртүрлі ықтималдығы кванттық компьютердің жалпы толқындық функциясымен анықталады.
Біз кванттық компьютерді әртүрлі кубиттердің күйлерін өзгерту арқылы өлшеген кезде белгілі бір күйлердің пайда болу ықтималдығын өзгерте аламыз.
Кванттық компьютер бірден күйлердің бірнеше суперпозицияларында болуы мүмкін болса да, өлшеулер сол күйлердің біреуін ғана көрсетеді.
Сондықтан, есептеу жұмысын аяқтау үшін кванттық компьютерді пайдалану кезінде дұрыс жауапты алу ықтималдығын арттыру үшін конструктивті кедергі және дұрыс емес жауап алу ықтималдығын төмендету үшін деструктивті кедергі қажет.
Енді Қискиттен бастайық.
қандай Қискит?
Qiskit — кез келген адамға кванттық есептеулер саласына кіруді жеңілдету үшін жасалған IBM қаржыландыратын бағдарламалық құрал.
Кванттық компьютерлерді алу қиын болғандықтан, оларды Qiskit құралдар жинағы арқылы IBM сияқты бұлттық провайдер арқылы алуға болады.
Ол тегін қол жетімді және оның барлық коды бар ашық бастапқы.
Бар онлайн оқулық бұл сізге кванттық физиканың барлық негіздерін үйретеді, бұл пәнмен таныс емес адамдар үшін өте пайдалы. Python Qiskit құралдар жинағын әзірлеу үшін пайдаланылады.
Сонымен, егер сіз Python бағдарламалау тілімен таныс болсаңыз, сіз көптеген кодтарды танисыз.
Бағдарламалық жасақтама негізі қалағандар үшін қолайлы кванттық есептеулер туралы білу сонымен қатар практикалық тәжірибе жинақтайды.
Qiskit-тің ең іргелі аспектісі - ол екі кезеңде жұмыс істейді. Қадамдардың бірі - құрастыру кезеңі, онда біз бірнеше кванттық тізбектерді жасаймыз және мәселені шешу үшін сол тізбектерді пайдаланамыз.
Содан кейін, құрылыс кезеңін аяқтағаннан кейін немесе шешімге қол жеткізгеннен кейін, біз орындау кезеңі деп аталатын келесі кезеңге өтеміз, онда біз құрастыруды немесе шешімімізді әртүрлі серверлерде (күй векторының сервері, унитарлы сервер, ашық) іске қосуға әрекеттенеміз. ASM сервері) және іске қосу аяқталғаннан кейін біз қажетті нәтиже үшін құрастырудағы деректерді өңдейміз.
Qiskit қолданбасын бастау
Жеке компьютерде немесе IBM орналастыратын Jupyter ноутбукінде оны жергілікті орнатуға болады. Windows компьютеріне жергілікті орнату үшін келесі кодты жазыңыз:
IBM кванттық құрылғыларын пайдалануға мүмкіндік беретін API токеніне қол жеткізу үшін осы жерде тіркелуіміз керек, содан кейін компанияның веб-сайтымен жұмыс істей бастай аламыз. Интернетте жұмыс істейтін Qiskit орнатылған Jupyter ноутбукін пайдалану арқылы мұны істеуді елестете аласыз.
Оған беттің жоғарғы оң жақ бұрышындағы мәзірден Профильді, содан кейін Тіркелгі ақпаратын таңдау арқылы қол жеткізуге болады. API таңбалауышын *** түріндегі API токендері бөлімінен таба аласыз. Ол көшіріліп, келесі кодқа енгізіледі:
Бұл код орындалғаннан кейін, IBM кванттық құрылғыларын пайдалануға мүмкіндік беретін API таңбалауышы компьютеріңізде сақталады. Мұндай құрылғыға кіру мүмкіндігіңіз бар-жоғын анықтау үшін келесіні енгізіңіз:
Егер жоғарыда аталған код іске қосылса, кодты тек компьютерде ғана емес, сонымен қатар кірістірілген кванттық тізбектерді IBM кванттық құрылғыларына жіберу және нәтижелерді алу арқылы іске қосу мүмкіндігі болуы керек.
Осылайша, схемалар кітапханасын пайдалана отырып, біз бірінші кванттық алгоритмді әзірлеуді бастай аламыз. Біз жобамызға Qiskit-тен маңызды тәуелділіктерді импорттаудан бастаймыз.
Содан кейін біз екі кубитті кванттық регистрді және екі биттік әдеттегі регистрді құрастырамыз.
Енді бізде классикалық және кванттық регистр орнатылған. Осы екеуін пайдалана отырып, біз схеманы құра аламыз және кез келген уақытта схеманың модификациясы кезінде кванттық тізбектің сызбасын жасағыңыз келсе, келесі кодты жазыңыз:
Суреттен схеманың екі кванттық разряд пен екі классикалық разрядтан тұратынын көреміз.
Бұл схемада қақпалар жоқ, сондықтан оны қызықсыз етеді. Енді кванттық гейттерді пайдаланып тізбекті құрастырайық. Классикалық сияқты логикалық қақпалар (ЖӘНЕ, НЕМЕСЕ қақпалары) қалыпты цифрлық тізбектерге арналған, кванттық қақпалар кванттық тізбектердің негізгі құрамдас бөліктері болып табылады.
Хадамард қақпасын бірінші кубитке қолдану түйіспелерді жасаудағы алғашқы қадам болып табылады. Содан кейін келесі кодты пайдалана отырып, біз екі кубиттік басқарылатын x операциясын қосамыз:
Енді осы екі оператор біздің кванттық тізбегімізді құру үшін пайдаланылғандықтан, кванттық биттерді (кубиттерді) өлшеу, сол өлшемдерді қабылдау және оларды классикалық биттерде сақтау уақыты келді. Оған қол жеткізу үшін қажетті кодты жасайық:
Төмендегі диаграмма біздің схеманың орналасуын бейнелейді:
Содан кейін схема дәстүрлі компьютерлік симуляторда іске қосылуы керек. Схема аяқталды. Және бұл орындаудың нәтижелерін тексеріңіз.
Осы схеманы орындаудан алынған ақпарат нәтиже айнымалысында сақталады. Осы нәтижелерді графиктік гистограмма арқылы көрсетейік.
Бұл біздің кванттық тізбекті іске қосқанда болады. 00 және 11 сандары үшін біз шамамен 50% ықтималдық аламыз. Сіздің бастапқы кванттық компьютер схемасы салынды. Құттықтаймыз!
Qiskit Quantum Computing қолданбалары
Qiskit Finance
Көрнекі құралдар мен қосымшалар жиынтығын Qiskit Finance ұсынады. Оларға портфельді оңтайландыруға арналған Ising аудармашылары, нақты немесе кездейсоқ деректерге арналған деректер жеткізушілері және әртүрлі қаржылық опцияларға немесе несиелік тәуекелді бағалауға арналған іске асыру кіреді.
Қискит табиғаты
сияқты қолданбалар ақуыздың қатпарлануы және электронды/діріл құрылымы қоздырылған және негізгі күйлер үшін есептеулерді Qiskit Nature қолдайды.
Ол классикалық кодтарды қосуға және кванттық компьютерлерге қажет әртүрлі көріністерге автоматты түрде түрлендіруге қажетті барлық бөліктерді ұсынады.
Qiskit Machine Learning
Кванттық машина оқыту Регрессия және классификация сияқты әртүрлі мәселелерді шешу үшін оларды пайдаланатын әдістерді Qiskit Machine Learning, сондай-ақ іргелі кванттық ядролар мен кванттық нейрондық желілер (QNN) құрылыс блоктары ретінде қамтамасыз етеді.
Ол сонымен қатар классикалық операцияларға кванттық элементтерді қосу мақсатында QNN-ді PyTorch-ке қосуға мүмкіндік береді.
Qiskit оңтайландыру
Qiskit Optimization оңтайландыру мәселелерін жоғары деңгейлі модельдеуді, мәселелерді әртүрлі қажетті көріністерге автоматтандырылған аударуды және қарапайым кванттық оңтайландыру әдістерінің жинағын қоса алғанда, оңтайландыру қызметтерінің барлық спектрін ұсынады.
қорытынды
Қорытындылай келе, қазіргі уақытта қол жетімді ең жылдам суперкомпьютер жылдарға созылғанымен, кванттық компьютерлер қазіргі шифрлау әдістерін жылдам бұза алады.
Кванттық компьютерлер бүгінгі күні қолданылатын шифрлаудың көптеген әдістерін бұза алатынына қарамастан, олар бұзылуға төзімді алмастырғыштарды жасайды деп күтілуде.
Мәселелерді оңтайландыру - кванттық компьютерлердің күші. Қосымша мәліметтер алу үшін Qiskit сайтына кіріңіз GitHub.
пікір қалдыру