Më shpejt se kurrë më parë, bota po ndryshon për shkak të ndryshimeve dixhitale.
Me ardhjen e afërt të një valë tjetër krejt të re të teknologjisë, e aftë për të ndryshuar në mënyrë drastike paradigmat aktuale me shpejtësi dhe fuqi mahnitëse: llogaritja kuantike, të kuptuarit e ideve themelore të epokës dixhitale do të bëhen edhe më të rëndësishme.
Një teknikë përparimtare e quajtur llogaritja kuantike përdor fizikën kuantike për të zgjidhur probleme që janë përtej fushëveprimit të kompjuterëve konvencionalë.
Parimet e teorisë kuantike tregojnë se si materia dhe energjia sillen në shkallët atomike dhe nënatomike, dhe Qiskit i IBM është një komplet zhvillimi i softuerit kuantik me burim të hapur që ndihmon në krijimin e sistemeve të llogaritjes kuantike.
Ky artikull kërkon të shpjegojë këtë dhe t'ju ofrojë një përmbledhje të llogaritjes kuantike.
Ne do t'u shpjegojmë lexuesve tanë me ndihmën e një llogaritje kuantike me burim të hapur SDK, dmth. Qiskit dhe lërini të eksplorojnë duke përdorur Jupyter Notebooks të pritur në IBM Quantum Lab.
Çfarë është kompjuteri kuantik?
Llogaritja kuantike është një degë e shkencës kompjuterike që fokusohet në zhvillimin e teknologjisë kompjuterike duke përdorur ide nga teoria kuantike.
Ai përfiton nga kapaciteti i jashtëzakonshëm i grimcave nënatomike për të ekzistuar njëkohësisht në shumë gjendje, si 0 dhe 1.
Ata janë në gjendje të përpunojnë shumë më tepër të dhëna sesa kompjuterët e zakonshëm.
Në proceset e llogaritjes kuantike, një kubit bëhet duke përdorur gjendjen kuantike të një objekti. Pjesët thelbësore të informacionit në llogaritjen kuantike janë kubit.
Ata kryejnë të njëjtin funksion si bitet në llogaritjen konvencionale në llogaritjen kuantike, por ato veprojnë krejt ndryshe. Informatika kuantike është një fushë që u shfaq në vitet 1980.
Më pas u zbulua se algoritmet kuantike ishin më efektive në kryerjen e disa detyrave kompjuterike sesa homologët e tyre klasikë.
Superpozicioni dhe ngatërrimi, dy koncepte nga fizika kuantike, janë themelet mbi të cilat bazohen këta superkompjuterë.
Në krahasim me kompjuterët konvencionalë, kompjuterët kuantikë aktualisht mund të kryejnë punë me përmasa më të shpejta, ndërsa konsumojnë shumë më pak energji.
Ne duhet të vazhdojmë me funksionimin e kompjuterëve kuantikë për ta kuptuar plotësisht atë. Le të fillojmë tani.
Si funksionon vërtet një kompjuter kuantik?
Krahasuar me kompjuterët tradicionalë me të cilët jemi mësuar, kompjuterët kuantikë i qasen ndryshe zgjidhjes së problemeve. Për disa detyra, kompjuterët kuantikë janë të preferueshëm ndaj atyre tradicionalë në një sërë mënyrash.
Kapaciteti i tyre për të ekzistuar në shumë shtete njëherësh mendohet të jetë shkaku. Nga ana tjetër, kompjuterët konvencionalë mund të jenë vetëm në një gjendje të vetme menjëherë.
Ekzistojnë tre koncepte kryesore që duhet të kuptoni për të kuptuar se si funksionojnë kompjuterët kuantikë:
- Mbivendosje.
- Ngatërrim.
- Ndërhyrja.
mbivendosje
Bitet janë komponentët themelorë të kompjuterëve tradicionalë. Bitët kuantike, ose Qubitët, janë njësitë bazë të kompjuterëve kuantikë.
Në thelb, bitet kuantike funksionojnë ndryshe. Një bit binar, i njohur ndonjëherë si një bit tradicional, është një ndërprerës që mund të jetë ose 0 ose 1.
Ne e marrim gjendjen aktuale të bitit kur e masim atë. Kubitët janë një përjashtim nga kjo. Kubitët mund të krahasohen me shigjetat që tregojnë në tre dimensione.
Ata janë në kushtet 0 nëse tregojnë lart. Ata janë në gjendjen 1 nëse tregojnë poshtë. E njëjta gjë është e vërtetë me pjesët klasike.
Sidoqoftë, ata gjithashtu mund të zgjedhin të jenë në një gjendje mbivendosjeje.
Një shigjetë është në gjendjen kur tregon në çdo drejtim tjetër. Mbivendosja e 0 dhe 1 rezulton në këtë gjendje. Një Qubit do të vazhdojë të prodhojë ose 1 ose 0 si rezultat kur matet.
Megjithatë, orientimi i shigjetës përcakton një probabilitet që është relevant.
Ju keni më shumë gjasa të merrni një 1 nëse shigjeta është kryesisht e drejtuar nga poshtë dhe një 0 nëse ajo është kryesisht e drejtuar lart.
Ju do të keni një shans 50% për të fituar për secilin nëse shigjeta është në qendër. Me pak fjalë, kjo është mbivendosje.
ngatërresë
Bitët në një kompjuter tradicional janë të pavarur nga njëri-tjetri. Gjendja e një bit nuk ka asnjë ndikim në gjendjen e bitit tjetër.
Kubitët në kompjuterët kuantikë mund të ngatërrohen me njëri-tjetrin. Kjo nënkupton që ato bashkohen në një gjendje të vetme të madhe kuantike.
Për ilustrim, merrni parasysh dy kubit që janë në gjendje të ndryshme mbivendosjeje, por nuk janë ende të ngatërruar. Në këtë kohë, probabiliteti i tyre nuk varet nga njëri-tjetri.
Kur i ngatërrojmë ato, ne duhet t'i hedhim poshtë ato probabilitete të pavarura dhe të përcaktojmë probabilitetet e të gjitha gjendjeve alternative nga të cilat mund të shpëtojmë, domethënë 00, 01, 10 dhe 11.
Shpërndarja e probabilitetit të të gjithë sistemit ndryshon nëse drejtimi i shigjetës në një kubit ndryshohet sepse kubitët janë të ngatërruar.
Pavarësia e kubitëve nga njëri-tjetri ka humbur. Secili prej tyre është një komponent i të njëjtit gjendje të konsiderueshme. Pavarësisht se sa kubit keni, ky është akoma rasti.
Ekziston një kombinim i mundshëm i 2n gjendjeve për një kompjuter kuantik me n kubit.
Ju keni një shpërndarje probabiliteti në dy gjendje, për shembull, për një kubit. Ju keni një shpërndarje probabiliteti në katër gjendje për dy kubit, etj. Dallimi kryesor midis kompjuterëve klasikë dhe kuantikë është ky.
Ju mund t'i vendosni kompjuterët klasikë në çfarëdo gjendje që zgjidhni, por vetëm një nga një. Të gjitha këto gjendje mund të ekzistojnë njëkohësisht në kompjuterët kuantikë si një mbivendosje.
Si mund të përfitojë kompjuteri duke qenë në të gjitha ato gjendje përnjëherë? Elementi i fundit i ndërhyrjes hyn në këtë pikë.
Ndërhyrje
Një funksion i valës kuantike mund të përdoret për të përshkruar gjendjen e një qubit.
Përshkrimi themelor matematikor i gjithçkaje në fizikën kuantike sigurohet nga funksionet valore.
Kur shumë kubit ngatërrohen, funksionet e tyre individuale valore kombinohen së bashku për të formuar një funksion të vetëm valor që përshkruan gjendjen e përgjithshme të kompjuterit kuantik.
Ndërhyrja është rezultat i shtimit të këtyre funksioneve valore së bashku. Kur valët shtohen së bashku, ato mund të ndërveprojnë në mënyrë konstruktive dhe të kombinohen për të krijuar një valë më të madhe, ashtu siç bëjnë valët e ujit.
Ata gjithashtu mund të ndërveprojnë në mënyrë destruktive për të kundërshtuar njëri-tjetrin. Probabiliteti i ndryshëm i gjendjeve të ndryshme përcaktohet nga funksioni i përgjithshëm valor i kompjuterit kuantik.
Ne mund të ndryshojmë gjasat që disa gjendje të shfaqen kur matim kompjuterin kuantik duke ndryshuar gjendjet e kubitëve të ndryshëm.
Edhe pse kompjuteri kuantik mund të ekzistojë në disa mbivendosje të gjendjeve në të njëjtën kohë, matjet zbulojnë vetëm një nga ato gjendje.
Prandaj, ndërsa përdoret një kompjuter kuantik për të përfunduar një punë llogaritëse, ndërhyrja konstruktive është e nevojshme për të rritur gjasat për të marrë përgjigjen e saktë dhe ndërhyrje destruktive për të ulur gjasat për të marrë një përgjigje të pasaktë.
Tani, le të fillojmë me Qiskitin.
Çfarë është Qiskit?
Qiskit është një kornizë softuerike e financuar nga IBM, e krijuar për ta bërë më të lehtë për këdo hyrjen në fushën e informatikës kuantike.
Për shkak se kompjuterët kuantikë janë të vështirë për t'u marrë, ju mund ta merrni një të tillë përmes një ofruesi të resë kompjuterike, siç është IBM, duke përdorur kutinë e veglave të tyre Qiskit.
Është në dispozicion falas, dhe i gjithë kodi i tij është burim të hapur.
Nuk është një tekst shkollor online që ju mëson të gjitha bazat e fizikës kuantike, e cila është shumë e dobishme për ata që nuk janë të njohur me këtë temë. Python përdoret për të zhvilluar paketën e veglave Qiskit.
Pra, nëse jeni njohur me gjuhën e programimit Python, do të njihni shumë kode.
Korniza e softuerit është e përshtatshme për ata që dëshirojnë mësoni për llogaritjen kuantike duke fituar edhe përvojë praktike.
Aspekti më themelor i Qiskit është se ai funksionon në dy faza. Një nga hapat është faza e ndërtimit, në të cilën ne krijojmë disa qarqe kuantike dhe i përdorim ato qarqe për të zgjidhur problemin.
Më pas, pasi të kemi përfunduar fazën e ndërtimit ose të arrijmë zgjidhjen, kalojmë në fazën tjetër, e cila njihet si faza e ekzekutimit, në të cilën ne përpiqemi të ekzekutojmë ndërtimin ose zgjidhjen tonë në prapavijë të ndryshme (backend vektorial i gjendjes, prapavija unitare, e hapur ASM backend), dhe pasi ekzekutimi të përfundojë, ne përpunojmë të dhënat në build për daljen e dëshiruar.
Fillimi me Qiskit
Në kompjuterin tuaj personal ose në Notebook Jupyter që IBM pret, mund ta instaloni në nivel lokal. Shkruani kodin e mëposhtëm për ta instaluar lokalisht në një kompjuter Windows:
Ne duhet të regjistrohemi këtu për të hyrë në tokenin API që na mundëson të përdorim pajisjet kuantike të IBM dhe më pas mund të fillojmë të punojmë me faqen e internetit të kompanisë. Mund ta imagjinoni ta bëni këtë duke përdorur një Jupyter Notebook të instaluar në Qiskit që funksionon në internet.
Mund ta përdorni atë duke zgjedhur profilin tuaj nga menyja në këndin e sipërm të djathtë të faqes, më pas duke zgjedhur Informacionin e llogarisë. Ju mund ta gjeni shenjën tuaj API nën seksionin mbi shenjat API në formën e ***. Ai kopjohet dhe më pas futet në kodin e mëposhtëm:
Pasi të ekzekutohet ky kod, token-i juaj API do të ruhet në kompjuterin tuaj, duke ju mundësuar të përdorni pajisjet kuantike të IBM. Futni sa vijon për të përcaktuar nëse keni akses në një pajisje të tillë:
Nëse kodi i lartpërmendur funksionon, ju duhet të jeni në gjendje të ekzekutoni kodin jo vetëm në kompjuterin tuaj, por gjithashtu duke dërguar qarqet kuantike të integruara në pajisjet kuantike të IBM dhe duke marrë rezultate.
Pra, duke përdorur bibliotekën e qarqeve, ne mund të fillojmë zhvillimin e algoritmit tonë të parë kuantik. Ne fillojmë duke importuar varësitë thelbësore nga Qiskit në projektin tonë.
Më pas ndërtojmë një regjistër kuantik me dy kubit dhe një regjistër konvencional dy-bit.
Pra, tani kemi krijuar një regjistër klasik dhe kuantik. Duke përdorur këto dy, ne mund të ndërtojmë qarkun dhe nëse, në çdo kohë gjatë modifikimit të qarkut, dëshironi të skiconi se si duket qarku kuantik, shkruani kodin e mëposhtëm:
Nga fotografia mund të shohim se qarku përbëhet nga dy bit kuantikë dhe dy bit klasikë.
Siç është, këtij qarku i mungojnë portat, duke e bërë atë jo interesant. Tani le të ndërtojmë qarkun duke përdorur portat kuantike. Si klasikja portat logjike (AND, OSE portat) janë për qarqet normale dixhitale, portat kuantike janë komponentët themelorë të qarqeve kuantike.
Zbatimi i portës Hadamard në kubitin e parë është hapi i parë në krijimin e ngatërresës. Pastaj, duke përdorur kodin e mëposhtëm, ne do të shtojmë një operacion x të kontrolluar me dy qubit:
Tani që këta dy operatorë janë përdorur për të ndërtuar qarkun tonë kuantik, është koha për të matur bitat kuantike (qubits), për të marrë ato matje dhe për t'i ruajtur ato në bitet klasike. Le të krijojmë kodin e nevojshëm për ta arritur këtë:
Diagrami më poshtë përshkruan paraqitjen e qarkut tonë:
Qarku duhet të ekzekutohet më pas në një imitues kompjuterik tradicional. Qarku ka përfunduar. Dhe shqyrtoni rezultatet e atij ekzekutimi.
Informacioni i marrë nga kryerja e atij qarku ruhet në variablin e rezultatit. Le t'i shfaqim këto rezultate duke përdorur një histogram të grafikut.
Kjo është ajo që ndodh kur ne drejtojmë qarkun tonë kuantik. Për numrat 00 dhe 11, marrim probabilitete rreth 50%. Qarku juaj fillestar i kompjuterit kuantik u ndërtua. urime!
Aplikimet e Qiskit Kuantike Computing
Qiskit Financë
Një koleksion mjetesh dhe aplikacionesh demonstruese ofrohen nga Qiskit Finance. Këto përfshijnë përkthyesit Ising për optimizimin e portofolit, furnizuesit e të dhënave për të dhëna aktuale ose të rastësishme dhe zbatime për çmimin e opsioneve të ndryshme financiare ose vlerësimet e rrezikut të kredisë.
Natyra Qiskit
Aplikacione si palosja e proteinave dhe struktura elektronike/vibronike llogaritjet si për gjendjet e ngacmuara ashtu edhe për ato bazë mbështeten nga Qiskit Nature.
Ai ofron të gjitha pjesët e nevojshme për lidhjen e kodeve klasike dhe konvertimin automatik në paraqitje të ndryshme të nevojshme nga kompjuterët kuantikë.
Mësimi i Makinerisë Qiskit
kuant Mësimi makinë metodat që i përdorin ato për të adresuar probleme të ndryshme, si regresioni dhe klasifikimi, ofrohen nga Qiskit Machine Learning si dhe bërthamat kuantike themelore dhe rrjetet nervore kuantike (QNNs) si blloqe ndërtimi.
Ai gjithashtu mundëson lidhjen e QNN-ve me PyTorch me qëllim të përfshirjes së elementeve kuantike në operacionet klasike.
Optimizimi Qiskit
Qiskit Optimization ofron të gjithë spektrin e shërbimeve të optimizimit, duke përfshirë modelimin e nivelit të lartë të çështjeve të optimizimit, përkthimin e automatizuar të problemeve në paraqitje të ndryshme të nevojshme dhe një koleksion të metodave të thjeshta të optimizimit kuantik.
Përfundim
Si përfundim, ndërsa superkompjuteri më i shpejtë i disponueshëm tani kërkon vite, kompjuterët kuantikë mund të kalojnë me shpejtësi metodat aktuale të kriptimit.
Pavarësisht nga fakti se kompjuterët kuantikë do të jenë në gjendje të thyejnë shumë nga teknikat e enkriptimit të përdorura sot, parashikohet që ata të krijojnë zëvendësues të mbrojtur nga hakimi.
Optimizimi i problemeve është një fuqi e kompjuterëve kuantikë. Për detaje të mëtejshme, ju lutemi vizitoni Qiskit GitHub.
Lini një Përgjigju