Kvantová výpočtová technika je nová technológia, ktorá využíva kvantovú fyziku na riešenie problémov, ktoré presahujú možnosti tradičných počítačov.
Mnoho spoločností sa teraz pokúša sprístupniť skutočný kvantový hardvér desiatkam tisíc vývojárov, nástroj, o ktorom vedci pred tromi desaťročiami iba snívali.
Výsledkom je, že naši inžinieri často nasadzujú stále výkonnejšie supravodivé kvantové počítače, čím sa približujeme ku kvantovej výpočtovej rýchlosti a kapacite potrebnej na zmenu sveta.
V tomto príspevku sa na to pozrieme bližšie kvantové výpočty a nástroje a rámce, ktoré s tým súvisia, ako aj to, kde budú v roku 2022.
Čo je to kvantové počítače?
Tieto superpočítače sú postavené na princípoch superpozície a zapletenia, čo sú dva aspekty kvantovej fyziky. Kvantové počítače teraz môžu vykonávať úlohy rýchlosťou, ktorá je rádovo rýchlejšia ako tradičné počítače, pričom spotrebujú oveľa menej energie.
V 1980. rokoch minulého storočia vznikla oblasť kvantových počítačov. Potom sa ukázalo, že kvantové algoritmy boli pri riešení určitých počítačových úloh efektívnejšie ako ich konvenčné ekvivalenty.
Kvantová výpočtová technika je disciplína počítačovej vedy, ktorá sa zameriava na rozvoj počítačovej technológie založenej na konceptoch kvantovej teórie. Využíva mimoriadnu schopnosť subatomárnych častíc existovať v niekoľkých stavoch naraz, napríklad 0 a 1. Sú schopné spracovať podstatne viac údajov ako bežné počítače.
Kvantový stav položky sa používa na vytvorenie qubitu v operáciách kvantových výpočtov. Qubity sú základné dátové jednotky kvantových výpočtov. V kvantových výpočtoch slúžia na rovnakú prácu ako bity v bežných výpočtoch, ale správajú sa úplne inak.
Tradičné bity sú binárne a môžu si zachovať iba pozíciu 0 alebo 1, zatiaľ čo qubity môžu obsahovať superpozíciu všetkých možných stavov.
Najlepšie rámce pre kvantové výpočty
1. Cca
Cirq vytvoril tím spoločnosti Google Quantum AI. Používa sa na navrhovanie a zlepšovanie kvantových obvodov, ktoré sa potom testujú na kvantových počítačoch a simulátoroch. Cirq je fantastický, pretože ponúka vývojové simulátory, ktoré sú dosť podobné tým, ktoré sú v reálnom živote.
To znamená, že knižnica sa prepracuje cez hardvérové detaily okolo NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum), aby sme si mohli byť istí, že algoritmus alebo obvod možno po dokončení spustiť na skutočnom kvantovom počítači.
Výsledkom je, že má potenciál byť využitý na vytvorenie adaptívnych a nasaditeľných kvantových obvodov. Má tiež funkcie interoperability. Softvér, ktorý napríklad importuje a exportuje kvantové obvody a simulácie.
Rámec pre programovanie kvantových počítačov s otvoreným zdrojom. Cirq je a Pytón softvérový balík, ktorý vám umožňuje vytvárať, manipulovať a optimalizovať kvantové obvody pred ich spustením na kvantových počítačoch a simulátoroch.
Cirq je efektívna abstrakcia pre prácu s dnešnými hlučnými kvantovými počítačmi strednej veľkosti, kde sú hardvérové požiadavky rozhodujúce pre dosiahnutie špičkových výsledkov.
Vlastnosti
- Z brán fungujúcich na qubitoch sa môžete naučiť navrhovať kvantové obvody. Zistite, čo je moment a ako vám rôzne taktiky vkladania môžu pomôcť pri zostavovaní ideálneho okruhu. Naučte sa deliť a deliť obvody, aby ste vytvorili nové a vylepšené obvody.
- Technologické obmedzenia majú významný vplyv na to, či je možné obvod implementovať na súčasný hardvér. Zistite, ako naprogramovať službu Quantum Computing od spoločnosti Google a ako vytvoriť zariadenia na riešenie týchto obmedzení.
- Vlnové funkcie aj matice hustoty majú v Cirq zabudované simulátory. Na riešenie hlučných kvantových kanálov možno použiť simulácie Monte Carlo alebo matice plnej hustoty.
- Pri vykonávaní testov na kvantových procesoroch Google spolupracuje Cirq so službou Quantum Computing Service.
2. ProjectQ
ETH Zurich vytvoril ProjectQ, open-source softvérovú architektúru kvantových výpočtov. Poskytuje robustné a priamočiare syntax pre používateľov na vytváranie kvantových aplikácií v Pythone. ProjectQ potom dokáže tieto skripty previesť na akúkoľvek formu back-endu, či už ide o klasický počítačový simulátor alebo kvantový procesor.
ProjectQ potom dokáže tieto aplikácie previesť na akýkoľvek druh back-endov, ako je klasický počítačový simulátor alebo kvantový procesor, ako je platforma IBM Quantum Experience.
Vlastnosti
- IT je na vysokej úrovni programovací jazyk pre kvantové programy.
- Má modulárny a prispôsobivý kompilátor.
- Ponúka tiež množstvo hardvérových a softvérových backendov.
- Kvantová počítačová knižnica (FermiLib) na riešenie fermionických problémov
- Čip IBM Quantum Experience, zariadenia AQT, AWS Braket a zariadenia so službou IonQ možno použiť na spúšťanie kvantových algoritmov.
- Na vyššej úrovni abstrakcie je možné emulovať kvantové programy (napr. napodobňovanie činnosti veľkých veštcov namiesto ich kompilovania do brán nízkej úrovne)
- Na klasických počítačoch je možné simulovať kvantové programy.
3. Tensoflow Quantum
Rámec Pythonu TensorFlow Quantum (TFQ) je určený pre kvantum strojové učenie. TFQ je aplikačný rámec TensorFlow, ktorý umožňuje výskumníkom v oblasti kvantových algoritmov a strojového učenia používať rámce kvantových výpočtov Google priamo z TensorFlow.
TensorFlow Quantum je program, ktorý sa zameriava na kvantové dáta a tvorbu kvantovo-klasických hybridných modelov. Kombinuje kvantové výpočtové techniky a logiku navrhnutú Cirq s TensorFlow API, ako aj vysokovýkonnými simulátormi kvantových obvodov.
Rámec TFQ možno použiť na spustenie tradičných aj hybridných modelov, ako je Quantum CNN (QCNN). Výsledkom je, že TFQ možno použiť na akýkoľvek problém, ktorý predtým nebolo možné vyriešiť tradičnými prístupmi. Ak chcete odpovedať na určité problémy v reálnom svete, začnite s TFQ a vytvorte kvantové alebo kvantovo-klasické hybridné modely.
Vlastnosti
- Výskumníci môžu použiť TFQ na vytváranie tenzorov pomocou kvantových súborov údajov, kvantových modelov a konvenčných riadiacich parametrov v jedinej výpočtovej sieti.
- Tenzory sa používajú na ukladanie kvantových údajov (viacrozmerné pole čísel). Každý tenzor kvantových údajov je opísaný ako kvantový obvod Cirq, ktorý vytvára kvantové údaje za behu.
- Výskumník môže použiť Cirq na prototypovanie kvanta neurónové sieť ktorý bude neskôr zahrnutý do výpočtového grafu TensorFlow.
- Schopnosť súčasne trénovať a vykonávať množstvo kvantových obvodov je hlavnou črtou TensorFlow Quantum.
4. Percevel
Perceval je open-source framework na programovanie fotonických kvantových počítačov vyvinutý Percevalom, francúzskou spoločnosťou zameranou na budovanie novej generácie kvantových počítačov založených na manipulácii so svetlom.
Perceval ponúka nástroje na skladanie obvodov z lineárnych optických komponentov, definovanie jednofotónových zdrojov, manipuláciu s Fockovými stavmi, spúšťanie kvantových simulácií, reprodukovanie publikovaných experimentálnych článkov a experimentovanie s novou generáciou kvantových algoritmov prostredníctvom jednoduchého objektovo orientovaného Python API.
Jeho cieľom je byť sprievodným nástrojom na konštrukciu kvantových fotonických obvodov – na simuláciu a zdokonaľovanie ich dizajnu, modelovanie ideálneho aj skutočného správania a ponúkanie štandardizovaného rozhrania na ich ovládanie prostredníctvom konceptu backendov.
Je optimalizovaný na prevádzku na lokálnom desktope s mnohými vylepšeniami pre HPC klastre a poskytuje prístup k sofistikovaným backendom pre numerickú a symbolickú simuláciu kvantových algoritmov na fotonických obvodoch.
Môžete tiež použiť veľké množstvo prefabrikovaných komponentov na vytváranie algoritmov a komplikovaných lineárnych optických obvodov. Prístupná je knižnica známych algoritmov, ako aj lekcie, ako ich používať.
Môžete tiež použiť niekoľko riadkov kódu na vykonanie experimentov na doladenie algoritmov, porovnanie s experimentálnymi údajmi a opätovné vytvorenie publikovaných publikácií.
Vlastnosti
- Jedinečná architektúra svojho druhu zameraná výlučne na lineárnu optiku a fotonické kvantové výpočty
- Projekt je open-source projekt s modulárnou architektúrou, ktorý víta príspevky komunity.
- Pomocou obrovskej knižnice prefabrikovaných komponentov vytvorte algoritmy a komplikované obvody lineárnej optiky. Prístupná je knižnica známych algoritmov, ako aj lekcie, ako ich používať.
- Experimentujte s algoritmami, aby ste ich doladili, porovnali s experimentálnymi údajmi a skopírujte existujúce publikácie v niekoľkých riadkoch kódu.
- Na emuláciu kvantových algoritmov na fotonických obvodoch použite sofistikované backendy. Perceval je navrhnutý tak, aby fungoval na lokálnom desktope z hľadiska numerického aj symbolického výkonu, s mnohými vylepšeniami pre HPC klastre.
5. Qiskit
Vieme, že ak hovoríme o technológii novej generácie, IBM bude mať čo ponúknuť. Určite áno. QisKit je open-source platforma pre vývoj kvantového softvéru.
Qiskit je softvérový rámec financovaný IBM, ktorý používateľom uľahčuje spoznávanie kvantové výpočty. Keďže je ťažké získať kvantové počítače, na získanie prístupu k jednému môžete použiť poskytovateľa cloudu, ako je súprava nástrojov Qiskit od IBM.
Je úplne zadarmo na použitie a celý kód je open source. Existuje online učebnica, ktorá vás naučí všetky základy kvantovej fyziky, čo je veľmi užitočné pre začiatočníkov, ktorí tento predmet nepoznajú.
Kvantové počítače možno použiť na úrovni impulzov, obvodov a aplikačných modulov.
Vlastnosti
- Používatelia rôznych úrovní môžu Qiskit používať na výskum a vývoj aplikácií, pretože prichádza s kompletnou zbierkou kvantových brán a radom vopred zostavených obvodov.
- Qiskit Runtime môžete použiť na koordináciu kvantových aplikácií na cloudových CPU, QPU a GPU, ako aj na spúšťanie a plánovanie činností na skutočných kvantových procesoroch.
- Transpiler konvertuje kód Qiskit na efektívny obvod využívajúci natívnu súpravu brán backendu, čo umožňuje používateľom navrhnúť akýkoľvek kvantový procesor alebo architektúru s minimálnymi vstupmi.
záver
Aby sme to zhrnuli, kvantové počítače dokážu rýchlo preniknúť do dnešných šifrovacích techník v krátkom čase, zatiaľ čo najväčší dostupný superpočítač trvá roky.
Napriek skutočnosti, že kvantové počítače budú schopné prelomiť mnohé zo súčasných šifrovacích schém, očakáva sa, že vyvinú alternatívy odolné voči hackingu. Kvantové počítače sú fantastické pri riešení problémov s optimalizáciou.
Nechaj odpoveď