Inhaltsverzeechnes[Verstoppen][Show]
Méi séier wéi jee virdrun verännert sech d'Welt duerch digital Ännerung.
Mat dem impending Advent vun enger anerer fuschneie Welle vun Technologie déi fäeg ass déi aktuell Paradigme mat erstaunlecher Geschwindegkeet a Kraaft drastesch z'änneren: Quantecomputer, d'fundamental Iddie vun der digitaler Ära ze verstoen wäert nach méi wichteg ginn.
Eng Duerchbriechungstechnik genannt Quantecomputer benotzt d'Quantephysik fir Probleemer ze léisen déi iwwer den Ëmfang vu konventionelle Computere sinn.
D'Quantetheorieprinzipien weisen wéi Matière an Energie sech op der atomarer an subatomescher Skala behuelen, an dem IBM säi Qiskit ass en Open-Source Quantesoftwareentwécklungskit deen hëlleft bei der Schafung vu Quantecomputersystemer.
Dësen Artikel probéiert dëst z'erklären an Iech en Iwwerbléck iwwer Quantecomputer ze ginn.
Mir erklären eise Lieser mat der Hëllef vun engem Open Source Quantecomputer SDK, d.h. Qiskit a loosse se entdecken benotzt Jupiter Notebooks am IBM Quantum Lab gehost.
Wat ass Quantum Computing?
Quantemechner ass eng Branche vun der Informatik déi sech op d'Entwécklung vun Computertechnologie konzentréiert mat Iddien aus der Quantetheorie.
Et profitéiert vun der aussergewéinlecher Kapazitéit vun subatomesche Partikelen fir gläichzäiteg a ville Staaten ze existéieren, sou wéi 0 an 1.
Si kënne vill méi Daten veraarbecht wéi normal Computeren.
A Quanteberechenungsprozesser gëtt e Qubit gemaach mat dem Quantezoustand vun engem Objet. Déi wesentlech Informatiounsstécker am Quantecomputer sinn Qubits.
Si maachen déiselwecht Funktioun wéi Bits am konventionellen Informatik am Quantecomputer, awer si handelen ganz anescht. Quantecomputer ass e Feld dat an den 1980er entstanen ass.
Duerno gouf entdeckt datt Quantenalgorithmen méi effektiv waren fir e puer Computeraufgaben ze maachen wéi hir klassesch Kollegen.
Superposition an Entanglement, zwee Konzepter aus der Quantephysik, sinn d'Fundamenter op deenen dës Supercomputer baséieren.
Am Verglach mat konventionelle Computere kënnen Quantecomputer am Moment Aarbechtsplaze vun der Gréisst méi séier maachen, während se vill manner Energie verbrauchen.
Mir musse mat der Operatioun vu Quantecomputer virugoen fir et voll ze verstoen. Loosst eis elo ufänken.
Wéi funktionnéiert wierklech e Quantecomputer?
Am Verglach mat den traditionelle Computeren, déi mir gewinnt sinn, Approche Quantecomputer d'Problemléisung anescht. Fir e puer Aufgaben si Quantecomputer léiwer wéi traditionell op eng Rei vu Weeër.
Hir Kapazitéit fir a ville Staaten gläichzäiteg ze existéieren gëtt als Ursaach geduecht. Op der anerer Säit kënnen konventionell Computeren nëmmen an engem eenzege Staat gläichzäiteg sinn.
Et ginn dräi Schlësselkonzepter déi Dir musst verstoen fir ze verstoen wéi Quantecomputer funktionnéieren:
- Superpositioun.
- Entanglement.
- Amëschen.
Superposition
Bits sinn d'fundamental Komponente vun traditionelle Computeren. Quantebits, oder Qubits, sinn d'Basis Eenheete vu Quantecomputer.
Grondsätzlech funktionnéieren Quantebits anescht. E binäre Bit, heiansdo als traditionell Bit bekannt, ass e Schalter deen entweder en 0 oder en 1 ka sinn.
Mir kréien den aktuellen Zoustand vum Bit zréck wa mir et moossen. Qubits sinn eng Ausnam zu dësem. Qubits kënne mat Pfeile verglach ginn, déi an dräi Dimensiounen weisen.
Si sinn an den 0 Bedingungen wa se no uewen weisen. Si sinn am 1 Staat wa se no ënnen weisen. Datselwecht ass wouer mat klassesche Stécker.
Wéi och ëmmer, si kënnen och wielen an engem Superpositiounsstaat ze sinn.
E Pfeil ass an engem Zoustand wou en an all aner Richtung weist. D'Superposition vun 0 an 1 resultéiert an dësem Zoustand. E Qubit wäert ëmmer nach entweder en 1 oder en 0 produzéieren als Resultat wann et gemooss gëtt.
Wéi och ëmmer, d'Orientéierung vum Pfeil bestëmmt eng Wahrscheinlechkeet déi relevant ass.
Dir sidd méi wahrscheinlech en 1 ze kréien wann de Pfeil haaptsächlech no ënnen weist an en 0 wann et haaptsächlech no uewen weist.
Dir hutt eng 50% Chance fir all ze gewannen, wann de Pfeil am Zentrum ass. An enger Nossschuel, dat ass Superpositioun.
Entanglement
D'Bits an engem traditionelle Computer sinn onofhängeg vuneneen. De Staat vun engem Bit huet keen Afloss op den Zoustand vum anere Bit.
D'Qubits a Quantecomputer kënne matenee verwéckelt ginn. Dëst implizéiert datt se an engem eenzege grousse Quantezoustand fusionéieren.
Fir Illustratioun, betruecht zwee Qubits déi a verschiddene Superpositiounszoustand sinn, awer nach net verwéckelt sinn. Zu dëser Zäit vertrauen hir Wahrscheinlechkeet net openeen.
Wa mir se verwéckelen, musse mir déi onofhängeg Wahrscheinlechkeeten entwerfen an d'Wahrscheinlechkeeten vun all den alternativen Staaten bestëmmen, déi mir kënne flüchten, nämlech 00, 01, 10, an 11.
D'Wahrscheinlechkeetsverdeelung vum ganze System gëtt geännert wann d'Richtung vum Pfeil op engem Qubit geännert gëtt, well d'Qubits verwéckelt sinn.
D'Onofhängegkeet vun de Qubits vuneneen ass verluer gaangen. Jiddereng vun hinnen ass e Bestanddeel vun der selwechter sizable Staat. Egal wéivill Qubits Dir hutt, dëst ass nach ëmmer de Fall.
Et gëtt eng méiglech Kombinatioun vun 2n Staaten fir e Quantecomputer mat n Qubits.
Dir hutt eng Wahrscheinlechkeetsverdeelung iwwer zwee Staaten, zum Beispill fir ee Qubit. Dir hutt eng Wahrscheinlechkeet Verdeelung iwwer véier Staaten fir zwee Qubits, etc.. Den Haaptunterscheed tëscht klassesch a Quantecomputer ass dëst.
Dir kënnt klassesch Computeren an egal wéi engem Zoustand setzen Dir wielt, awer nëmmen een gläichzäiteg. All dës Staate kënne gläichzäiteg op Quantecomputer als Superpositioun existéieren.
Wéi kann de Computer dovun profitéieren an all deene Staaten op eemol ze sinn? Dat lescht Element vun der Amëschung kënnt op dësem Punkt.
Amëschen
Eng Quantewellefunktioun kann benotzt ginn fir den Zoustand vun engem Qubit ze beschreiwen.
Déi fundamental mathematesch Beschreiwung vun allem an der Quantephysik gëtt vu Wellefunktiounen geliwwert.
Wa vill Qubits agespaart sinn, ginn hir individuell Wellefunktiounen zesumme kombinéiert fir eng eenzeg Wellefunktioun ze bilden déi den Gesamtzoustand vum Quantecomputer beschreift.
Interferenz ass d'Resultat vun der Zousatz vun dëse Wellefunktiounen zesummen. Wann Wellen zesumme bäigefüügt ginn, kënne se konstruktiv interagéieren a kombinéieren fir eng méi grouss Welle ze kreéieren, sou wéi Waasserrippelen et maachen.
Si kënnen och destruktiv interagéieren fir sech entgéintzewierken. Déi variéiert Wahrscheinlechkeet vun de verschiddene Staaten gëtt vun der Gesamtwellefunktioun vum Quantecomputer bestëmmt.
Mir kënnen d'Wahrscheinlechkeet änneren datt verschidde Staaten entstinn wa mir de Quantecomputer moossen andeems mir d'Staate vu verschiddene Qubits änneren.
Och wann de Quantecomputer an e puer Superpositioune vu Staate gläichzäiteg existéiere kann, verroden Miessunge nëmmen ee vun deene Staaten.
Dofir, wärend Dir e Quantecomputer benotzt fir e Berechnungsjob ze kompletéieren, ass konstruktiv Interferenz gebraucht fir d'Wahrscheinlechkeet ze erhéijen fir déi richteg Äntwert ze kréien an zerstéierend Interferenz fir d'Wahrscheinlechkeet ze reduzéieren fir eng falsch ze kréien.
Elo, loosst eis mam Qiskit ufänken.
Wat ass Qiskit?
Qiskit ass en IBM-finanzéiert Software-Framework entworf fir et méi einfach ze maachen fir jiddereen an d'Feld vu Quantecomputer anzeginn.
Well Quantecomputer schwéier ze kréien sinn, kënnt Dir een duerch e Cloud Provider kréien, wéi IBM, mat hirer Qiskit Toolbox.
Et ass gratis verfügbar, an all säi Code ass Open Source.
Et ass en online Léierbuch dat léiert Iech all d'Grondlage vun der Quantephysik, wat ganz nëtzlech ass fir déi déi net mat dem Thema vertraut sinn. Python gëtt benotzt fir de Qiskit Toolkit z'entwéckelen.
Also, wann Dir mat der Python Programméierungssprooch vertraut sidd, erkennt Dir vill Code.
De Software Kader ass gëeegent fir déi, déi wëllen léiert iwwer Quantecomputer iwwerdeems och praktesch Erfahrung.
De fundamentalsten Aspekt vum Qiskit ass datt et an zwou Etappen funktionnéiert. Ee vun de Schrëtt ass d'Konstruktiounsstadium, an där mir verschidde Quantekreesser kreéieren an dës Circuiten benotze fir de Problem ze léisen.
Dann, nodeems mir d'Baustad ofgeschloss hunn oder d'Léisung erreecht hunn, fuere mir op déi nächst Etapp, déi bekannt ass wéi d'Exekutiounsstadium, an där mir probéieren eis Build oder Léisung an de verschiddene Backends auszeféieren (State Vector Backend, Unitary Backend, Open ASM Backend), a nodeems de Run ofgeschloss ass, veraarbecht mir d'Donnéeën am Build fir de gewënschten Ausgang.
Start mat Qiskit
Op Ärem perséinleche Computer oder dem Jupyter Notebook deen IBM hostt, kënnt Dir et lokal installéieren. Schreift de folgende Code fir lokal op engem Windows Computer z'installéieren:
Mir mussen eis hei registréieren fir Zougang zum API Token ze kréien, deen eis erlaabt IBM Quantenapparater ze benotzen, an da kënne mir ufänken mat der Websäit vun der Firma ze schaffen. Dir kënnt Iech virstellen dëst ze maachen andeems Dir e Qiskit-installéiert Jupyter Notebook benotzt deen online leeft.
Dir kënnt et zougräifen andeems Dir Äre Profil aus dem Menü an der ieweschter rechter Ecke vun der Säit auswielt, a wielt dann Kontinformatioun. Dir fannt Ären API Token ënner der Rubrik iwwer API Tokens a Form vun ***. Et gëtt kopéiert an dann an de folgende Code aginn:
Wann dëse Code ausgefouert gouf, gëtt Ären API Token op Ärem Computer gespäichert, wat Iech erlaabt IBM's Quantenapparater ze benotzen. Gitt déi folgend fir ze bestëmmen ob Dir Zougang zu sou engem Apparat hutt:
Wann dee genannte Code leeft, sollt Dir fäeg sinn Code net nëmmen op Ärem Computer ze lafen, awer och andeems Dir déi agebaute Quantekreesser un d'Quantegeräter vun IBM schéckt an d'Resultater kritt.
Also, mat der Circuitbibliothéik, kënne mir ufänken eisen éischte Quantenalgorithmus z'entwéckelen. Mir fänke mam Import vun de wesentleche Ofhängegkeete vu Qiskit an eise Projet.
Mir konstruéieren dann en Zwee-Qubit Quanteregister an en Zwee-Bit konventionell Register.
Also elo hu mir souwuel e klassesche wéi och e Quanteregister etabléiert. Mat deenen zwee kënne mir de Circuit konstruéieren a wann Dir zu all Moment duerch d'Modifikatioun vum Circuit wëllt skizzéieren wéi de Quantekrees ausgesäit, schreift de folgende Code:
Mir kënnen aus dem Bild gesinn datt de Circuit aus zwee Quantebits an zwee klassesche Bits besteet.
Wéi et ass, feelt dëse Circuit Paarte, wat et oninteressant mécht. Loosst eis elo de Circuit konstruéieren mat de Quantepaarten. Wéi klassesch logesch Paarte (AN, ODER Paarte) si fir normal digital Kreesleef, Quantepaart sinn déi fundamental Komponente vu Quantekreesser.
D'Uwendung vum Hadamard Paart op den éischte Qubit ass den éischte Schrëtt fir d'Entanglement ze kreéieren. Dann, andeems Dir de folgende Code benotzt, addéiere mir eng zwee-Qubit kontrolléiert x Operatioun:
Elo datt dës zwee Bedreiwer benotzt gi fir eise Quantekrees ze konstruéieren, ass et Zäit d'Quantebits (Qubits) ze moossen, dës Miessunge ze huelen a se an de klassesche Bits ze späicheren. Loosst eis den néidege Code erstellen fir dat z'erreechen:
D'Diagramm hei drënner weist de Layout vun eisem Circuit:
De Circuit muss dann op engem traditionelle Computersimulator lafen. De Circuit ass ofgeschloss. An ënnersicht d'Resultater vun där Ausféierung.
D'Informatioun kritt beim Ausféierung vun deem Circuit gëtt an der Resultatvariabel gespäichert. Loosst eis dës Resultater mat engem Plothistogramm weisen.
Dat ass wat geschitt wa mir eise Quante Circuit lafen. Fir d'Zuelen 00 an 11 kréie mir Wahrscheinlechkeete vu ronn 50%. Ären initialen Quantecomputer Circuit gouf gebaut. Gratulatioun!
Uwendungen vun Qiskit Quantum Computing
Qiskit Finance
Eng Sammlung vun demonstrativen Tools an Uwendungen gëtt vun Qiskit Finance ugebueden. Dëst beinhalt d'Ising Iwwersetzer fir Portfoliooptimiséierung, Datenleverandorer fir tatsächlech oder zoufälleg Donnéeën, an Implementatioune fir verschidde finanziell Optiounen oder Kredittrisiko Bewäertungen ze präisser.
Qiskit Natur
Apps wéi Protein ausklappen an elektronesch / vibronic Struktur Berechnungen fir souwuel opgereegt a Grondzoustand gi vun Qiskit Nature ënnerstëtzt.
Et bitt all Deeler déi néideg sinn fir klassesch Coden ze verbannen an automatesch op verschidde Representatioune konvertéieren déi vu Quantecomputer néideg sinn.
Qiskit Machine Learning
Quantephysik Maschinn léieren Methoden déi se benotze fir verschidde Probleemer ze adresséieren, wéi Regressioun a Klassifikatioun, gi vu Qiskit Machine Learning souwéi fundamental Quantekären a Quantenneural Netzwierker (QNNs) als Bausteng geliwwert.
Et erméiglecht och d'Verbindung vu QNNs op PyTorch fir den Zweck fir Quantenelementer a klassesch Operatiounen z'integréieren.
Qiskit Optimisatioun
Qiskit Optimisatioun bitt de ganze Spektrum vun Optimisatiounsservicer, dorënner High-Level Modelléierung vun Optimisatiounsprobleemer, automatiséiert Iwwersetzung vu Probleemer op verschidde néideg Representatioune, an eng Sammlung vun einfache Quantenoptimiséierungsmethoden.
Konklusioun
Als Conclusioun, wärend de schnellsten Supercomputer elo verfügbar Joer dauert, kënne Quantecomputer séier duerch déi aktuell Verschlësselungsmethoden duerchbriechen.
Trotz der Tatsaach, datt Quantecomputer fäeg sinn vill vun de Verschlësselungstechniken ze briechen, déi haut benotzt ginn, gëtt erwaart datt se hackbeständeg Ersatzspiller erstellen.
Probleemer optimiséieren ass eng Stäerkt vu Quantecomputer. Fir weider Detailer, besicht w.e.g. Qiskit GitHub.
Hannerlooss eng Äntwert