Kvantu skaitļošana ir jauna tehnoloģija, kas izmanto kvantu fiziku, lai risinātu problēmas, kas pārsniedz tradicionālo datoru iespējas.
Daudzi uzņēmumi tagad mēģina padarīt faktisku kvantu aparatūru pieejamu desmitiem tūkstošu izstrādātāju — rīku, par kuru zinātnieki tikai sapņoja pirms trīs gadu desmitiem.
Rezultātā mūsu inženieri bieži izvieto arvien jaudīgākus supravadošus kvantu datorus, tuvinot mūs kvantu skaitļošanas ātrumam un jaudai, kas nepieciešamas, lai mainītu pasauli.
Šajā rakstā mēs to aplūkosim tuvāk kvantu skaitļošana un ar to saistītos rīkus un sistēmas, kā arī to, kur tie būs 2022. gadā.
Kas ir kvantu skaitļošana?
Šie superdatori ir veidoti uz superpozīcijas un sapīšanās principiem, kas ir divi kvantu fizikas aspekti. Kvantu datori tagad var veikt uzdevumus ar ātrumu, kas ir par lielumu kārtām ātrāk nekā tradicionālie datori, vienlaikus patērējot daudz mazāk enerģijas.
Astoņdesmitajos gados radās kvantu skaitļošanas joma. Pēc tam atklājās, ka kvantu algoritmi noteiktu datora uzdevumu risināšanā ir efektīvāki par to tradicionālajiem ekvivalentiem.
Kvantu skaitļošana ir datorzinātņu disciplīna, kas koncentrējas uz datortehnoloģiju attīstību, pamatojoties uz kvantu teorijas koncepcijām. Tas izmanto subatomisko daļiņu neparasto spēju eksistēt vairākos stāvokļos vienlaikus, piemēram, 0 un 1. Tās spēj apstrādāt ievērojami vairāk datu nekā parastie datori.
Vienuma kvantu stāvoklis tiek izmantots, lai izveidotu kubitu kvantu skaitļošanas operācijās. Kubiti ir kvantu skaitļošanas pamata datu vienības. Kvantu skaitļošanā tie veic to pašu darbu, ko biti veic parastajā skaitļošanā, taču tie darbojas diezgan atšķirīgi.
Tradicionālie biti ir bināri un var uzturēt tikai pozīciju 0 vai 1, turpretim kubiti var ietvert visu iespējamo stāvokļu superpozīciju.
Labākie kvantu skaitļošanas ietvari
1. Cirks
Cirq izveidoja Google Quantum AI komanda. To izmanto, lai izstrādātu un uzlabotu kvantu shēmas, kuras pēc tam tiek pārbaudītas kvantu datoros un simulatoros. Cirq ir fantastisks, jo piedāvā attīstības simulatorus, kas ir diezgan līdzīgi tiem, kas redzami reālajā dzīvē.
Tas nozīmē, ka bibliotēka strādā ar NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum) aparatūras detaļām, lai mēs varētu būt pārliecināti, ka algoritmu vai ķēdi var palaist reālā kvantu datorā pēc tā pabeigšanas.
Rezultātā to var izmantot, lai izveidotu adaptīvas un izvietojamas kvantu shēmas. Tam ir arī savietojamības funkcijas. Programmatūra, kas importē un eksportē, piemēram, kvantu shēmas un simulācijas.
Ietvars atvērtā koda kvantu datoru programmēšanai. Cirq ir a Pitons programmatūras pakotne, kas ļauj izveidot, manipulēt un optimizēt kvantu shēmas pirms to izpildes kvantu datoros un simulatoros.
Cirq ir efektīva abstrakcija, lai strādātu ar mūsdienu trokšņainajiem vidēja mēroga kvantu datoriem, kur aparatūras prasības ir ļoti svarīgas, lai sasniegtu visprogresīvākos rezultātus.
Apkalpošana
- No vārtiem, kas darbojas ar kubitiem, jūs varat uzzināt, kā izveidot kvantu shēmas. Uzziniet, kas ir mirklis un kā dažādas ievietošanas taktikas var palīdzēt jums izveidot ideālo shēmu. Uzziniet, kā sagriezt un sagriezt ķēdes, lai izveidotu jaunas un uzlabotas shēmas.
- Tehnoloģiju ierobežojumi būtiski ietekmē to, vai ķēdi var ieviest mūsdienu aparatūrā. Uzziniet, kā programmēt Google Quantum Computing Service un kā izveidot ierīces, lai novērstu šos ierobežojumus.
- Gan viļņu funkcijām, gan blīvuma matricām Cirq ir iebūvēti simulatori. Montekarlo vai pilna blīvuma matricas simulācijas var izmantot, lai novērstu trokšņainus kvantu kanālus.
- Lai veiktu Google kvantu procesoru testus, Cirq sadarbojas ar Quantum Computing Service.
2. ProjectQ
ETH Zurich izveidoja ProjectQ, atvērtā koda kvantu skaitļošanas programmatūras arhitektūru. Tas nodrošina izturīgu un vienkāršu sintakse lai lietotāji varētu izveidot kvantu lietojumprogrammas Python. Pēc tam ProjectQ var pārvērst šos skriptus jebkura veida aizmugures sistēmā neatkarīgi no tā, vai tas ir klasisks datora simulators vai kvantu procesors.
Pēc tam ProjectQ var pārvērst šīs lietojumprogrammas par jebkāda veida aizmugursistēmām, piemēram, klasisko datora simulatoru vai kvantu procesoru, piemēram, IBM Quantum Experience platformu.
Apkalpošana
- IT ir augsta līmeņa programmēšanas valoda kvantu programmām.
- Tam ir modulārs un pielāgojams kompilators.
- Tā piedāvā arī vairākas aparatūras un programmatūras aizmugursistēmas.
- Kvantu datoru bibliotēka (FermiLib) fermionisko problēmu risināšanai
- Kvantu algoritmu palaišanai var izmantot IBM Quantum Experience mikroshēmu, AQT ierīces, AWS Braket un IonQ pakalpojumu nodrošinātās ierīces.
- Augstākā abstrakcijas līmenī kvantu programmas var emulēt (piemēram, atdarinot lielu orākulu darbību, nevis kompilējot tos zema līmeņa vārtiem)
- Klasiskajos datoros var simulēt kvantu programmas.
3. Tensoflow kvants
Python ietvars TensorFlow Quantum (TFQ) ir paredzēts kvantiem mašīna mācīšanās. TFQ ir TensorFlow lietojumprogrammu sistēma, kas ļauj kvantu algoritmu un mašīnmācīšanās pētniekiem izmantot Google kvantu skaitļošanas sistēmas tieši no TensorFlow.
TensorFlow Quantum ir programma, kas koncentrējas uz kvantu datiem un kvantu klasisko hibrīdu modeļu izveidi. Tas apvieno Cirq izstrādātas kvantu skaitļošanas metodes un loģiku ar TensorFlow API, kā arī augstas veiktspējas kvantu ķēžu simulatoriem.
TFQ ietvaru var izmantot, lai palaistu gan tradicionālos, gan hibrīdus modeļus, piemēram, Quantum CNN (QCNN). Rezultātā TFQ var izmantot jebkurai problēmai, uz kuru iepriekš nebija iespējams atbildēt, izmantojot tradicionālās pieejas. Lai atbildētu uz noteiktām reālās pasaules problēmām, sāciet ar TFQ, lai izveidotu kvantu vai kvantu klasiskos hibrīdu modeļus.
Apkalpošana
- Pētnieki var izmantot TFQ, lai izveidotu tensorus, izmantojot kvantu datu kopas, kvantu modeļus un parastos vadības parametrus vienā skaitļošanas tīklā.
- Tenzori tiek izmantoti kvantu datu (daudzdimensiju skaitļu masīva) glabāšanai. Katrs kvantu datu tenzors ir aprakstīts kā Cirq kvantu ķēde, kas lidojumā rada kvantu datus.
- Pētnieks var izmantot Cirq, lai izveidotu kvantu prototipu neironu tīklu kas vēlāk tiks iekļauts TensorFlow aprēķina grafikā.
- Spēja vienlaikus apmācīt un izpildīt daudzas kvantu shēmas ir TensorFlow Quantum galvenā iezīme.
4. Percevel
Perceval ir atvērtā koda ietvars fotonisko kvantu datoru programmēšanai, ko izstrādājis Perceval, franču uzņēmums, kas koncentrējas uz jaunas paaudzes kvantu datoru izveidi, pamatojoties uz gaismas manipulācijām.
Perceval piedāvā rīkus ķēžu veidošanai no lineāriem optiskiem komponentiem, viena fotona avotu noteikšanai, Foka stāvokļu manipulēšanai, kvantu simulāciju veikšanai, publicēto eksperimentālo rakstu reproducēšanai un eksperimentēšanai ar jaunas paaudzes kvantu algoritmiem, izmantojot vienkāršu objektu orientētu Python API.
Tās mērķis ir būt par palīgrīku kvantu fotonisko ķēžu konstruēšanai — lai modelētu un uzlabotu to dizainu, modelētu gan ideālu, gan faktisko uzvedību un piedāvātu standartizētu saskarni, lai tās kontrolētu, izmantojot aizmugursistēmas jēdzienu.
Tas ir optimizēts darbībai vietējā darbvirsmā ar daudziem HPC klasteru uzlabojumiem un nodrošina piekļuvi izsmalcinātām aizmugurprogrammām kvantu algoritmu skaitliskai un simboliskai simulācijai fotoniskajās shēmās.
Varat arī izmantot lielu skaitu saliekamo komponentu, lai izveidotu algoritmus un sarežģītas lineārās optikas shēmas. Ir pieejama labi zināmu algoritmu bibliotēka, kā arī nodarbības par to lietošanu.
Varat arī izmantot dažas koda rindiņas, lai veiktu eksperimentus, lai precizētu algoritmus, salīdzinātu ar eksperimentālajiem datiem un atkārtoti izveidotu publicētās publikācijas.
Apkalpošana
- Unikāla arhitektūra, kas pilnībā veltīta lineārajai optikai un fotoniskajai kvantu skaitļošanai
- Projekts ir atvērtā koda projekts ar modulāru arhitektūru, kas atzinīgi vērtē kopienas ieguldījumu.
- Izmantojot milzīgu saliekamo komponentu bibliotēku, izveidojiet algoritmus un sarežģītas lineārās optikas shēmas. Ir pieejama labi zināmu algoritmu bibliotēka, kā arī nodarbības par to lietošanu.
- Eksperimentējiet ar algoritmiem, lai tos precīzi noregulētu, salīdziniet tos ar eksperimentāliem datiem un kopējiet esošās publikācijas dažās koda rindās.
- Lai emulētu kvantu algoritmus fotoniskajās shēmās, izmantojiet sarežģītas aizmugursistēmas. Perceval ir paredzēts darbībai vietējā darbvirsmā gan skaitliskās, gan simboliskās veiktspējas ziņā, ar daudziem HPC klasteru uzlabojumiem.
5. Qiskit
Mēs zinām, ka, ja mēs runājam par nākamās paaudzes tehnoloģijām, IBM būs ko piedāvāt. Tā noteikti ir. QisKit ir atvērtā koda platforma kvantu programmatūras izstrādei.
Qiskit ir IBM finansēts programmatūras ietvars, kas lietotājiem atvieglo informāciju par to kvantu skaitļošana. Tā kā kvantu datorus ir grūti atrast, varat izmantot mākoņa pakalpojumu sniedzēju, piemēram, IBM Qiskit rīkkopu, lai iegūtu piekļuvi tiem.
Tas ir pilnīgi bez maksas lietojams, un viss kods ir tāds atvērtā koda. Ir pieejama tiešsaistes mācību grāmata, kurā ir aprakstīti visi kvantu fizikas pamati, kas ir ļoti noderīgi iesācējiem, kuri šo tēmu nepārzina.
Kvantu datorus var izmantot impulsu, ķēžu un lietojumprogrammu moduļu līmenī.
Apkalpošana
- Dažādu līmeņu lietotāji var izmantot Qiskit pētniecībai un lietojumprogrammu izstrādei, jo tas ir aprīkots ar pilnu kvantu vārtu kolekciju un virkni iepriekš izveidotu shēmu.
- Varat izmantot Qiskit Runtime, lai koordinētu kvantu lietojumprogrammas mākoņa CPU, QPU un GPU, kā arī palaistu un ieplānotu darbības faktiskajos kvantu procesoros.
- Transpilators pārvērš Qiskit kodu efektīvā shēmā, izmantojot aizmugursistēmas sākotnējo vārtu kopu, ļaujot lietotājiem izveidot dizainu jebkuram kvantu procesoram vai arhitektūrai ar minimālu ievadi.
Secinājumi
Rezumējot, kvantu datori var ātri iekļūt mūsdienu šifrēšanas paņēmienos īsā laikā, turpretim lielākajam pieejamajam superdatoram ir vajadzīgi gadi.
Neskatoties uz to, ka kvantu datori spēs uzlauzt daudzas mūsdienu šifrēšanas shēmas, sagaidāms, ka tie izstrādās pret uzlaušanu izturīgas alternatīvas. Kvantu datori lieliski risina optimizācijas problēmas.
Atstāj atbildi