Побрзо од кога било досега, светот се менува поради дигиталните промени.
Со претстојното доаѓање на уште еден сосема нов бран на технологија способен драстично да ги менува тековните парадигми со неверојатна брзина и моќ: квантните пресметки, разбирањето на основните идеи на дигиталната ера ќе станат уште поважни.
Пробивната техника наречена квантно пресметување ја користи квантната физика за решавање на проблеми кои се надвор од опсегот на конвенционалните компјутери.
Принципите на квантната теорија покажуваат како материјата и енергијата се однесуваат на атомска и субатомска скала, а Qiskit на IBM е комплет за развој на квантен софтвер со отворен код кој помага во создавањето на квантни компјутерски системи.
Оваа статија се обидува да го објасни ова и да ви даде преглед на квантното пресметување.
Ќе им објасниме на нашите читатели со помош на квантно пресметување со отворен код SDK, т.е. Qiskit и нека истражуваат користејќи Jupyter преносни компјутери хостиран во IBM Quantum Lab.
Што е тоа квантно пресметување?
Квантна пресметка е гранка на компјутерската наука која се фокусира на развој на компјутерска технологија користејќи идеи од квантната теорија.
Тој го користи исклучителниот капацитет на субатомските честички што истовремено постојат во многу состојби, како што се 0 и 1.
Тие се способни да обработат многу повеќе податоци од обичните компјутери.
Во процесите на квантно пресметување, кјубитот се прави користејќи ја квантната состојба на објектот. Суштинските информации во квантното пресметување се кјубити.
Тие ја извршуваат истата функција како битовите во конвенционалното пресметување во квантното пресметување, но тие дејствуваат сосема поинаку. Квантното пресметување е поле што се појави во 1980-тите.
Потоа беше откриено дека квантните алгоритми се поефикасни во извршувањето на некои компјутерски задачи од нивните класични колеги.
Суперпозиција и заплеткување, два концепта од квантната физика, се темелите на кои се базираат овие суперкомпјутери.
Во споредба со конвенционалните компјутери, квантните компјутери моментално можат побрзо да извршуваат задачи од редослед на големина, додека трошат многу помалку енергија.
Мора да продолжиме со работата на квантните компјутери за целосно да го разбереме. Да почнеме сега.
Како навистина функционира квантен компјутер?
Во споредба со традиционалните компјутери на кои сме навикнати, квантните компјутери поинаку пристапуваат кон решавање на проблемите. За некои задачи, квантните компјутери се претпочитаат од традиционалните на повеќе начини.
Се смета дека причината е нивниот капацитет да постојат во многу држави одеднаш. Од друга страна, конвенционалните компјутери можат да бидат само во една состојба одеднаш.
Постојат три клучни концепти што мора да ги разберете за да разберете како функционираат квантните компјутери:
- Суперпозиција.
- Заплеткување.
- Мешање.
Суперпозиција
Битовите се основните компоненти на традиционалните компјутери. Квантните битови или Qubits се основните единици на квантните компјутери.
Во основа, квантните битови работат поинаку. Бинарен бит, понекогаш познат како традиционален бит, е прекинувач кој може да биде или 0 или 1.
Ја добиваме моменталната состојба на битот назад кога го мериме. Qubits се исклучок од ова. Кубитите може да се споредат со стрелки кои се насочени во три димензии.
Тие се во услови 0 ако се насочени нагоре. Тие се во состојба 1 ако се насочени надолу. Истото важи и за класичните битови.
Сепак, тие исто така можат да изберат да бидат во состојба на суперпозиција.
Стрелката е во состојба кога покажува во која било друга насока. Суперпозицијата од 0 и 1 резултира во оваа состојба. Кубитот сепак ќе произведе или 1 или 0 како резултат кога ќе се мери.
Сепак, ориентацијата на стрелката одредува веројатност што е релевантна.
Поголема е веројатноста да добиете 1 ако стрелката првенствено е насочена надолу и 0 ако примарно е насочена нагоре.
Ќе имате 50% шанса за победа за секој ако стрелката е во центарот. Накратко, тоа е суперпозиција.
Испреплетеност
Битовите во традиционалниот компјутер се независни еден од друг. Состојбата на еден бит нема никаква врска со состојбата на другиот бит.
Кубитите во квантните компјутери може да се заплеткаат еден со друг. Ова имплицира дека тие се спојуваат во една голема квантна состојба.
За илустрација, разгледајте два кјубита кои се во различни состојби на суперпозиција, но сè уште не се заплеткани. Во овој момент, нивната веројатност не се потпира една на друга.
Кога ќе ги заплеткаме, мораме да ги отфрлиме тие независни веројатности и да ги одредиме веројатностите на сите алтернативни состојби од кои можеме да избегаме, имено, 00, 01, 10 и 11.
Распределбата на веројатноста на целиот систем се менува ако се смени насоката на стрелката на еден кјубит бидејќи кјубитите се заплеткани.
Независноста на кјубитите еден од друг е изгубена. Секој од нив е компонента на иста голема состојба. Без разлика колку кубити имате, сепак е така.
Постои можна комбинација од 2n состојби за квантен компјутер со n кубити.
Имате дистрибуција на веројатност низ две состојби, на пример, за еден кјубит. Имате дистрибуција на веројатност низ четири состојби за два кјубита, итн. Главната разлика помеѓу класичните и квантните компјутери е ова.
Можете да ги ставите класичните компјутери во каква и да е состојба, но само еден по еден. Сите тие состојби можат да постојат истовремено на квантните компјутери како суперпозиција.
Како може компјутерот да има корист од тоа што е во сите тие состојби одеднаш? Последниот елемент на пречки влегува во овој момент.
Мешање
Функцијата на квантниот бран може да се користи за да се опише состојбата на кјубитот.
Основниот математички опис на сè во квантната физика е обезбеден со бранови функции.
Кога се заплеткуваат многу кубити, нивните индивидуални бранови функции се комбинираат заедно за да формираат единствена бранова функција која ја опишува целокупната состојба на квантниот компјутер.
Интерференцијата е резултат на додавање на овие бранови функции заедно. Кога брановите се собираат заедно, тие би можеле конструктивно да комуницираат и да се комбинираат за да создадат поголем бран, исто како што прават брановите на водата.
Тие исто така можат да комуницираат деструктивно за да се спротивстават еден на друг. Различната веројатност за различни состојби е одредена од целокупната бранова функција на квантниот компјутер.
Можеме да ја смениме веројатноста дека одредени состојби ќе се појават кога го мериме квантниот компјутер со менување на состојбите на различни кјубити.
Иако квантниот компјутер може да постои во неколку суперпозиции на состојби одеднаш, мерењата откриваат само една од тие состојби.
Затоа, додека се користи квантен компјутер за да се заврши пресметковната работа, потребна е конструктивна интерференција за да се зголеми веројатноста за добивање на точен одговор и деструктивна интерференција за да се намали веројатноста за добивање неточен одговор.
Сега, да почнеме со Qiskit.
Што е Чискит?
Qiskit е софтверска рамка финансирана од IBM, дизајнирана да го олесни секој да влезе во полето на квантното пресметување.
Бидејќи квантните компјутери тешко се добиваат, можете да добиете преку провајдер на облак, како што е IBM, користејќи ја нивната кутија со алатки Qiskit.
Достапно е бесплатно, а целиот негов код е со отворен код.
Постои еден онлајн учебник што ве учи на сите основи на квантната физика, што е многу корисно за оние кои не се запознаени со оваа тема. Python се користи за развој на пакетот алатки Qiskit.
Значи, ако сте запознаени со програмскиот јазик Python, ќе препознаете многу код.
Софтверската рамка е погодна за оние кои сакаат учат за квантните пресметувања притоа стекнувајќи и практично искуство.
Најфундаменталниот аспект на Qiskit е тоа што работи во две фази. Еден од чекорите е фазата на конструкција, во која создаваме неколку квантни кола и ги користиме тие кола за да го решиме проблемот.
Потоа, откако ќе ја завршиме фазата на градење или ќе го достигнеме решението, продолжуваме кон следната фаза, која е позната како фаза на извршување, во која се обидуваме да ја извршиме нашата градба или решение во различни задни делови (состојба векторски заднина, унитарен заден дел, отворен ASM backend), и по завршувањето на извршувањето, ги обработуваме податоците во изградбата за саканиот излез.
Започнуваме со Qiskit
На вашиот персонален компјутер или на Jupyter Notebook што го поседува IBM, можете локално да го инсталирате. Напишете го следниов код за да се инсталира локално на компјутер со Windows:
Треба да се регистрираме овде за да пристапиме до API токенот што ни овозможува да ги користиме квантните уреди на IBM, а потоа можеме да започнеме да работиме со веб-страницата на компанијата. Можете да замислите да го направите ова со користење на Qiskit-инсталиран Jupyter Notebook кој работи онлајн.
Можете да пристапите до него со избирање на вашиот Профил од менито во горниот десен агол на страницата, а потоа изберете Информации за сметката. Можете да го најдете вашиот API токен во делот за токени API во форма на ***. Се копира и потоа се внесува во следниот код:
Откако ќе се изврши овој код, вашиот API токен ќе биде зачуван на вашиот компјутер, што ќе ви овозможи да ги користите квантните уреди на IBM. Внесете го следново за да одредите дали имате пристап до таков уред:
Ако гореспоменатиот код работи, треба да можете да го извршите кодот не само на вашиот компјутер, туку и со испраќање на вградените квантни кола до квантните уреди на IBM и примање резултати.
Значи, користејќи ја библиотеката со кола, можеме да започнеме да го развиваме нашиот прв квантен алгоритам. Започнуваме со внесување на суштинските зависности од Qiskit во нашиот проект.
Потоа конструираме дво-кубитен квантен регистар и двобитен конвенционален регистар.
Така, сега имаме воспоставено и класичен и квантен регистар. Користејќи ги тие две, можеме да го конструираме колото и ако, во кое било време во текот на модификацијата на колото, сакате да скицирате како изгледа квантното коло, напишете го следниот код:
Од сликата можеме да видиме дека колото се состои од два квантни бита и два класични бита.
Како што е, на ова коло му недостасуваат порти, што го прави неинтересен. Сега да го конструираме колото користејќи ги квантните порти. Како класичен логички порти (И, ИЛИ портите) се за нормални дигитални кола, квантните порти се основните компоненти на квантните кола.
Примената на портата Хадамард на првиот кјубит е првиот чекор во создавањето заплеткување. Потоа, користејќи го следниов код, ќе додадеме операција x контролирана од два кубити:
Сега кога овие два оператори се искористени за конструирање на нашето квантно коло, време е да се измерат квантните битови (кјубити), да се земат тие мерења и да се складираат во класичните битови. Ајде да го создадеме потребниот код за да го постигнеме тоа:
Дијаграмот подолу го прикажува распоредот на нашето коло:
Колото потоа мора да се изврши на традиционален компјутерски симулатор. Колото е завршено. И испитајте ги резултатите од тоа извршување.
Информациите добиени од извршувањето на тоа коло се складираат во променливата резултат. Ајде да ги прикажеме овие резултати користејќи хистограм на заплетот.
Тоа се случува кога го извршуваме нашето квантно коло. За броевите 00 и 11 добиваме веројатности од околу 50%. Вашето првично квантно компјутерско коло беше изградено. Секоја чест!
Апликации на Qiskit Quantum Computing
Qiskit финансии
Збирка на демонстративни алатки и апликации се понудени од Qiskit Finance. Тие вклучуваат Ising преведувачи за оптимизација на портфолиото, добавувачи на податоци за вистински или случајни податоци и имплементации за одредување цени на различни финансиски опции или проценки на кредитниот ризик.
Qiskit Природа
Апликации како виткање на протеини и електронска/вибронска структура пресметките и за возбудените и за основните состојби се поддржани од Qiskit Nature.
Ги нуди сите делови потребни за поврзување на класичните кодови и автоматско претворање во различни претстави потребни за квантните компјутери.
Qiskit Машинско учење
Квантна машинско учење методите што ги користат за решавање на различни проблеми, како што се регресија и класификација, се обезбедени од Qiskit Machine Learning, како и основните квантни кернели и квантните невронски мрежи (QNNs) како градежни блокови.
Исто така, овозможува поврзување на QNN со PyTorch со цел да се вградат квантни елементи во класичните операции.
Qiskit оптимизација
Qiskit Optimization го нуди целиот спектар на услуги за оптимизација, вклучувајќи моделирање на прашања за оптимизација на високо ниво, автоматско преведување на проблемите на различни потребни претстави и збирка едноставни методи за квантна оптимизација.
Заклучок
Како заклучок, додека за најбрзиот суперкомпјутер сега достапен се потребни години, квантните компјутери можат брзо да ги пробијат тековните методи за шифрирање.
И покрај фактот дека квантните компјутери ќе можат да скршат многу од техниките за шифрирање што се користат денес, се очекува дека тие ќе создадат замени отпорни на хакирање.
Оптимизирањето на проблемите е силата на квантните компјутери. За повеќе детали, посетете го Qiskit GitHub.
Оставете Одговор