คอมพิวเตอร์ควอนตัมเป็นเทคโนโลยีใหม่ที่ใช้ฟิสิกส์ควอนตัมเพื่อแก้ไขปัญหาที่อยู่นอกเหนือความสามารถของคอมพิวเตอร์แบบเดิม
หลายบริษัทกำลังพยายามทำให้ฮาร์ดแวร์ควอนตัมจริงมีให้สำหรับนักพัฒนาหลายหมื่นราย ซึ่งเป็นเครื่องมือที่นักวิทยาศาสตร์ฝันถึงเมื่อสามทศวรรษก่อนเท่านั้น
ด้วยเหตุนี้ วิศวกรของเราจึงมักปรับใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมตัวนำยิ่งยวดที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นเรื่อยๆ ทำให้เราเข้าใกล้ความเร็วและความจุของการประมวลผลแบบควอนตัมซึ่งจำเป็นต่อการเปลี่ยนแปลงโลกมากขึ้น
ในโพสต์นี้ เราจะมาดูกันดีกว่าว่า การคำนวณควอนตัม และเครื่องมือและเฟรมเวิร์กที่เข้ากันได้ เช่นเดียวกับที่ที่พวกเขาจะอยู่ในปี 2022
คอมพิวเตอร์ควอนตัมคืออะไร?
ซูเปอร์คอมพิวเตอร์เหล่านี้สร้างขึ้นบนหลักการซ้อนทับและพัวพัน ซึ่งเป็นสองแง่มุมของฟิสิกส์ควอนตัม คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถทำงานได้ในอัตราที่เร็วกว่าคอมพิวเตอร์ทั่วไปในขณะที่ใช้พลังงานน้อยกว่ามาก
ในช่วงปี 1980 พื้นที่ของคอมพิวเตอร์ควอนตัมเกิดขึ้น จากนั้นจึงพบว่าอัลกอริธึมควอนตัมมีประสิทธิภาพมากกว่าวิธีเทียบเท่าทั่วไปในการแก้ปัญหาคอมพิวเตอร์บางงาน
คอมพิวเตอร์ควอนตัมเป็นสาขาวิชาวิทยาการคอมพิวเตอร์ที่เน้นความก้าวหน้าของเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ตามแนวคิดทฤษฎีควอนตัม มันใช้ความสามารถพิเศษของอนุภาคย่อยของอะตอมที่มีอยู่ในหลายสถานะพร้อมกัน เช่น 0 และ 1 พวกมันสามารถประมวลผลข้อมูลได้มากกว่าคอมพิวเตอร์ทั่วไปมาก
สถานะควอนตัมของรายการใช้เพื่อสร้าง qubit ในการดำเนินการคำนวณควอนตัม Qubits เป็นหน่วยข้อมูลพื้นฐานของการคำนวณควอนตัม ในการคำนวณแบบควอนตัม พวกมันทำหน้าที่เดียวกันกับบิตที่ทำในการคำนวณแบบธรรมดา แต่มีพฤติกรรมแตกต่างกันมากทีเดียว
บิตแบบดั้งเดิมเป็นเลขฐานสองและสามารถรักษาตำแหน่งได้เพียง 0 หรือ 1 ในขณะที่ qubits สามารถรวมสถานะที่เป็นไปได้ทั้งหมดทับซ้อนได้
กรอบงานที่ดีที่สุดสำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัม
1. เซอร์ค
Cirq สร้างขึ้นโดยทีม Quantum AI ของ Google ใช้ในการออกแบบและปรับปรุงวงจรควอนตัมที่ทดสอบแล้วบนคอมพิวเตอร์ควอนตัมและเครื่องจำลอง Cirq นั้นยอดเยี่ยมเพราะมันมีตัวจำลองการพัฒนาที่ค่อนข้างคล้ายกับที่เห็นในชีวิตจริง
นี่หมายความว่าไลบรารีทำงานผ่านรายละเอียดฮาร์ดแวร์ที่อยู่รอบๆ NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum) เพื่อให้เรามั่นใจได้ว่าอัลกอริธึมหรือวงจรสามารถทำงานได้บนคอมพิวเตอร์ควอนตัมจริงหลังจากเสร็จสิ้น
เป็นผลให้มีศักยภาพที่จะถูกนำไปใช้เพื่อสร้างวงจรควอนตัมแบบปรับตัวและปรับใช้ได้ นอกจากนี้ยังมีคุณสมบัติการทำงานร่วมกัน ซอฟต์แวร์ที่นำเข้าและส่งออกวงจรควอนตัมและการจำลอง เป็นต้น
กรอบงานสำหรับการเขียนโปรแกรมคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่เป็นโอเพ่นซอร์ส Cirq เป็น หลาม แพ็คเกจซอฟต์แวร์ที่ช่วยให้คุณสร้าง จัดการ และเพิ่มประสิทธิภาพวงจรควอนตัมก่อนที่จะดำเนินการบนคอมพิวเตอร์ควอนตัมและเครื่องจำลอง
Cirq เป็นนามธรรมที่มีประสิทธิภาพสำหรับการจัดการกับคอมพิวเตอร์ควอนตัมระดับกลางที่มีเสียงดังในปัจจุบัน ซึ่งข้อกำหนดด้านฮาร์ดแวร์มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการบรรลุผลลัพธ์ที่ทันสมัย
คุณสมบัติ
- จากเกทที่ทำงานบน qubits คุณสามารถเรียนรู้วิธีออกแบบวงจรควอนตัมได้ เรียนรู้ว่าช่วงเวลาคืออะไรและกลยุทธ์การแทรกต่างๆ อาจช่วยคุณในการสร้างวงจรในอุดมคติของคุณได้อย่างไร เรียนรู้วิธีการแบ่งและหั่นวงจรเพื่อสร้างวงจรใหม่และปรับปรุง
- ข้อจำกัดทางเทคโนโลยีมีอิทธิพลอย่างมากต่อการนำวงจรไปใช้กับฮาร์ดแวร์ร่วมสมัยหรือไม่ เรียนรู้วิธีตั้งโปรแกรม Quantum Computing Service ของ Google และวิธีสร้างอุปกรณ์เพื่อจัดการกับข้อจำกัดเหล่านี้
- ทั้งฟังก์ชันคลื่นและเมทริกซ์ความหนาแน่นมีตัวจำลองในตัวใน Cirq สามารถใช้ Monte Carlo หรือการจำลองเมทริกซ์ความหนาแน่นเต็มรูปแบบเพื่อจัดการกับช่องสัญญาณควอนตัมที่มีเสียงดัง
- เพื่อดำเนินการทดสอบโปรเซสเซอร์ควอนตัมของ Google Cirq ร่วมมือกับ Quantum Computing Service
2. โครงการQ
ETH Zurich ได้สร้าง ProjectQ ซึ่งเป็นสถาปัตยกรรมซอฟต์แวร์คอมพิวเตอร์ควอนตัมแบบโอเพนซอร์ส มันให้ความแข็งแกร่งและตรงไปตรงมา วากยสัมพันธ์ สำหรับผู้ใช้ในการสร้างแอปพลิเคชันควอนตัมใน Python จากนั้น ProjectQ สามารถแปลงสคริปต์เหล่านี้เป็นแบ็คเอนด์รูปแบบใดก็ได้ ไม่ว่าจะเป็นเครื่องจำลองคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกหรือตัวประมวลผลควอนตัม
จากนั้น ProjectQ สามารถแปลงแอปพลิเคชันเหล่านี้เป็นแบ็คเอนด์ประเภทใดก็ได้ เช่น โปรแกรมจำลองคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกหรือตัวประมวลผลควอนตัม เช่น แพลตฟอร์ม IBM Quantum Experience
คุณสมบัติ
- ไอทีอยู่ในระดับสูง ภาษาโปรแกรม สำหรับโปรแกรมควอนตัม
- มีคอมไพเลอร์แบบแยกส่วนและปรับเปลี่ยนได้
- นอกจากนี้ยังมีแบ็กเอนด์ฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์จำนวนมาก
- ห้องสมุดคอมพิวเตอร์ควอนตัม (FermiLib) สำหรับแก้ปัญหาเกี่ยวกับเฟอร์มิออน
- ชิป IBM Quantum Experience, อุปกรณ์ AQT, AWS Braket และอุปกรณ์ที่ให้บริการ IonQ ทั้งหมดสามารถใช้เพื่อรันอัลกอริทึมควอนตัมได้
- ในระดับที่สูงขึ้นของนามธรรม โปรแกรมควอนตัมสามารถจำลองได้ (เช่น การเลียนแบบการทำงานของออราเคิลขนาดใหญ่ แทนที่จะคอมไพล์ไปยังเกทระดับต่ำ)
- ในคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิก โปรแกรมควอนตัมสามารถจำลองได้
3. Tensoflow ควอนตัม
กรอบงาน Python TensorFlow Quantum (TFQ) ใช้สำหรับควอนตัม เรียนรู้เครื่อง. TFQ คือเฟรมเวิร์กของแอปพลิเคชัน TensorFlow ที่ช่วยให้อัลกอริทึมควอนตัมและนักวิจัยแมชชีนเลิร์นนิงใช้เฟรมเวิร์กการคำนวณควอนตัมของ Google ได้โดยตรงจาก TensorFlow
TensorFlow Quantum เป็นโปรแกรมที่เน้นที่ข้อมูลควอนตัมและการสร้างแบบจำลองไฮบริดควอนตัมคลาสสิก มันรวมเอาเทคนิคการคำนวณควอนตัมที่ออกแบบโดย Cirq และตรรกะกับ TensorFlow API รวมถึงเครื่องจำลองวงจรควอนตัมที่มีประสิทธิภาพสูง
กรอบงาน TFQ สามารถใช้เพื่อเรียกใช้ทั้งแบบจำลองดั้งเดิมและแบบไฮบริด เช่น Quantum CNN (QCNN) ด้วยเหตุนี้ TFQ จึงสามารถใช้ได้กับปัญหาใดๆ ที่ก่อนหน้านี้ไม่สามารถตอบได้โดยใช้วิธีการแบบเดิม ในการตอบปัญหาในโลกแห่งความเป็นจริง ให้เริ่มด้วย TFQ เพื่อสร้างโมเดลไฮบริดควอนตัมหรือควอนตัมคลาสสิก
คุณสมบัติ
- นักวิจัยสามารถใช้ TFQ เพื่อสร้างเทนเซอร์โดยใช้ชุดข้อมูลควอนตัม โมเดลควอนตัม และพารามิเตอร์ควบคุมแบบเดิมในเครือข่ายการคำนวณเดียว
- เทนเซอร์ใช้เพื่อเก็บข้อมูลควอนตัม (อาร์เรย์ตัวเลขหลายมิติ) แต่ละเทนเซอร์ของข้อมูลควอนตัมถูกอธิบายว่าเป็นวงจรควอนตัม Cirq ที่สร้างข้อมูลควอนตัมได้ทันที
- ผู้วิจัยสามารถใช้ Cirq เพื่อสร้างต้นแบบควอนตัม เครือข่ายประสาท ที่จะรวมอยู่ในกราฟการคำนวณของ TensorFlow ในภายหลัง
- ความสามารถในการฝึกและดำเนินการวงจรควอนตัมจำนวนมากพร้อมกันเป็นคุณสมบัติหลักของ TensorFlow Quantum
4. เพอร์เซเวล
Perceval เป็นเฟรมเวิร์กโอเพนซอร์ซสำหรับการเขียนโปรแกรมคอมพิวเตอร์ควอนตัมโฟโตนิกที่พัฒนาโดย Perceval ซึ่งเป็นธุรกิจของฝรั่งเศสที่มุ่งเน้นการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมเจเนอเรชันใหม่โดยใช้การปรับแสง
Perceval เสนอเครื่องมือสำหรับการเขียนวงจรจากส่วนประกอบออปติคัลเชิงเส้น การกำหนดแหล่งกำเนิดโฟตอนเดี่ยว การจัดการสถานะ Fock เรียกใช้การจำลองควอนตัม การสร้างเอกสารการทดลองที่ตีพิมพ์ซ้ำ และการทดลองกับอัลกอริทึมควอนตัมรุ่นใหม่ผ่าน Python API เชิงวัตถุอย่างง่าย
เป้าหมายคือการเป็นเครื่องมือร่วมสำหรับการสร้างวงจรโฟโตนิกควอนตัม — สำหรับการจำลองและปรับแต่งการออกแบบ สร้างแบบจำลองทั้งพฤติกรรมในอุดมคติและตามจริง และนำเสนออินเทอร์เฟซที่เป็นมาตรฐานเพื่อควบคุมพวกมันผ่านแนวคิดของแบ็กเอนด์
ได้รับการปรับให้เหมาะสมเพื่อทำงานบนเดสก์ท็อปในพื้นที่ โดยมีการปรับปรุงหลายอย่างสำหรับคลัสเตอร์ HPC และให้การเข้าถึงแบ็กเอนด์ที่ซับซ้อนสำหรับการจำลองตัวเลขและสัญลักษณ์ของอัลกอริทึมควอนตัมบนวงจรโฟโตนิก
คุณยังสามารถใช้ส่วนประกอบสำเร็จรูปจำนวนมากเพื่อสร้างอัลกอริธึมและวงจรออปติกเชิงเส้นที่ซับซ้อนได้ ห้องสมุดของอัลกอริธึมที่รู้จักกันดีสามารถเข้าถึงได้รวมถึงบทเรียนเกี่ยวกับวิธีการใช้งาน
คุณยังสามารถใช้โค้ดสองสามบรรทัดเพื่อดำเนินการทดสอบเพื่อปรับแต่งอัลกอริทึม เปรียบเทียบกับข้อมูลทดลอง และสร้างสิ่งพิมพ์ที่เผยแพร่ขึ้นใหม่
คุณสมบัติ
- สถาปัตยกรรมที่ไม่ซ้ำแบบใครที่ทุ่มเททั้งหมดให้กับเลนส์เชิงเส้นและการคำนวณควอนตัมโฟโตนิก
- โปรเจ็กต์นี้เป็นโปรเจ็กต์โอเพ่นซอร์สที่มีสถาปัตยกรรมโมดูลาร์ที่ยินดีรับการสนับสนุนจากชุมชน
- ใช้ไลบรารีขนาดใหญ่ของส่วนประกอบสำเร็จรูป สร้างอัลกอริธึมและวงจรออปติกเชิงเส้นที่ซับซ้อน ห้องสมุดของอัลกอริธึมที่รู้จักกันดีสามารถเข้าถึงได้รวมถึงบทเรียนเกี่ยวกับวิธีการใช้งาน
- ทดลองกับอัลกอริทึมเพื่อปรับแต่ง เปรียบเทียบกับข้อมูลทดลอง และคัดลอกสิ่งตีพิมพ์ที่มีอยู่ในโค้ดสองสามบรรทัด
- ในการจำลองอัลกอริธึมควอนตัมบนวงจรโฟโตนิก ให้ใช้แบ็กเอนด์ที่ซับซ้อน Perceval ได้รับการออกแบบมาให้ทำงานบนเดสก์ท็อปในพื้นที่ทั้งในแง่ของประสิทธิภาพเชิงตัวเลขและเชิงสัญลักษณ์ พร้อมการปรับปรุงมากมายสำหรับคลัสเตอร์ HPC
5. คิสกิต
เรารู้ว่าถ้าเรากำลังพูดถึงเทคโนโลยียุคหน้า IBM จะมีบางสิ่งที่จะนำเสนอ แน่นอนมันไม่ คิสคิท เป็นแพลตฟอร์มโอเพ่นซอร์สสำหรับการพัฒนาซอฟต์แวร์ควอนตัม
Qiskit เป็นเฟรมเวิร์กซอฟต์แวร์ที่ได้รับทุนสนับสนุนจาก IBM ซึ่งช่วยให้ผู้ใช้เรียนรู้เกี่ยวกับ การคำนวณควอนตัม. เนื่องจากคอมพิวเตอร์ควอนตัมนั้นหาได้ยาก คุณสามารถใช้ผู้ให้บริการระบบคลาวด์ เช่น ชุดเครื่องมือ Qiskit ของ IBM เพื่อเข้าถึงได้
ใช้งานได้ฟรีโดยสมบูรณ์ และรหัสทั้งหมดคือ โอเพนซอร์ส. มีหนังสือเรียนออนไลน์ที่จะสอนคุณเกี่ยวกับพื้นฐานทั้งหมดของฟิสิกส์ควอนตัม ซึ่งมีประโยชน์มากสำหรับผู้เริ่มต้นที่ไม่คุ้นเคยกับวิชานี้
คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถใช้ได้ที่ระดับพัลส์ วงจร และโมดูลแอปพลิเคชัน
คุณสมบัติ
- ผู้ใช้ในระดับต่างๆ สามารถใช้ Qiskit เพื่อการวิจัยและพัฒนาแอพพลิเคชั่นได้ เพราะมันมาพร้อมกับชุดควอนตัมเกทและวงจรที่สร้างไว้ล่วงหน้าจำนวนมาก
- คุณสามารถใช้ Qiskit Runtime เพื่อประสานงานแอปพลิเคชันควอนตัมบน CPU บนคลาวด์, QPU และ GPU ได้ เช่นเดียวกับการรันและกำหนดเวลากิจกรรมบนตัวประมวลผลควอนตัมจริง
- ทรานสปิลเลอร์จะแปลงรหัส Qiskit เป็นวงจรที่มีประสิทธิภาพโดยใช้ชุดเกตดั้งเดิมของแบ็กเอนด์ ทำให้ผู้ใช้สามารถออกแบบโปรเซสเซอร์ควอนตัมหรือสถาปัตยกรรมใดๆ ที่มีอินพุตขั้นต่ำ
สรุป
โดยสรุป คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถเจาะเทคนิคการเข้ารหัสในปัจจุบันได้อย่างรวดเร็วในระยะเวลาอันสั้น ในขณะที่ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่ยิ่งใหญ่ที่สุดที่สามารถเข้าถึงได้ในขณะนี้ใช้เวลาหลายปี
แม้ว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมจะสามารถถอดรหัสรูปแบบการเข้ารหัสต่างๆ ในปัจจุบันได้ แต่คาดว่าพวกเขาจะพัฒนาทางเลือกที่ป้องกันการแฮ็กได้ คอมพิวเตอร์ควอนตัมนั้นยอดเยี่ยมในการแก้ไขปัญหาการเพิ่มประสิทธิภาพ
เขียนความเห็น