Dijital değişim nedeniyle dünya her zamankinden daha hızlı değişiyor.
Mevcut paradigmaları şaşırtıcı bir hız ve güçle büyük ölçüde değiştirebilen yepyeni bir teknoloji dalgasının yaklaşmakta olan gelişiyle birlikte, dijital çağın temel fikirlerini anlamak daha da önemli hale gelecektir.
Kuantum hesaplama adı verilen çığır açan bir teknik, geleneksel bilgisayarların kapsamı dışındaki sorunları çözmek için kuantum fiziğini kullanır.
Kuantum teorisi ilkeleri, madde ve enerjinin atomik ve atom altı ölçeklerde nasıl davrandığını gösterir ve IBM'in Qiskit'i, kuantum hesaplama sistemleri oluşturmaya yardımcı olan açık kaynaklı bir kuantum yazılım geliştirme kitidir.
Bu makale bunu açıklamayı ve size kuantum hesaplamaya genel bir bakış sağlamayı amaçlamaktadır.
Açık kaynaklı bir kuantum hesaplama yardımıyla okuyucularımıza açıklayacağız SDK, yani. Qiskit ve kullanarak keşfetmelerine izin verin Jupyter Dizüstü Bilgisayarlar IBM Quantum Lab'de barındırılıyor.
Kuantum Hesaplama Nedir?
Kuantum hesaplama kuantum teorisinden fikirler kullanarak bilgisayar teknolojisi geliştirmeye odaklanan bir bilgisayar bilimi dalıdır.
0 ve 1 gibi birçok durumda aynı anda var olmak için atom altı parçacıkların olağanüstü kapasitesinden yararlanır.
Normal bilgisayarlardan çok daha fazla veri işleyebilirler.
Kuantum hesaplama süreçlerinde, bir nesnenin kuantum durumu kullanılarak bir kübit yapılır. Kuantum hesaplamadaki temel bilgi parçaları kübitlerdir.
Kuantum hesaplamada geleneksel hesaplamada bitlerle aynı işlevi yerine getirirler, ancak oldukça farklı davranırlar. Kuantum hesaplama, 1980'lerde ortaya çıkan bir alandır.
Daha sonra kuantum algoritmalarının bazı bilgisayar görevlerini yerine getirmede klasik muadillerinden daha etkili olduğu keşfedildi.
Kuantum fiziğinden iki kavram olan süperpozisyon ve dolaşma, bu süper bilgisayarların dayandığı temellerdir.
Geleneksel bilgisayarlarla karşılaştırıldığında, kuantum bilgisayarlar şu anda çok daha az enerji tüketirken büyük siparişleri daha hızlı yapabilir.
Bunu tam olarak anlamak için kuantum bilgisayarların işleyişine devam etmeliyiz. Şimdi başlayalım.
Kuantum bilgisayar gerçekten nasıl çalışır?
Alıştığımız geleneksel bilgisayarlarla karşılaştırıldığında, kuantum bilgisayarlar problem çözmeye farklı şekilde yaklaşıyor. Bazı görevler için, kuantum bilgisayarlar çeşitli şekillerde geleneksel olanlara tercih edilir.
Aynı anda çok sayıda eyalette var olma kapasitelerinin nedeni olduğu düşünülmektedir. Öte yandan, geleneksel bilgisayarlar aynı anda yalnızca tek bir durumda olabilir.
Kuantum bilgisayarların nasıl çalıştığını anlamak için anlamanız gereken üç anahtar kavram vardır:
- Süperpozisyon.
- Dolaşma.
- Girişim.
üstüne koyma
Bitler, geleneksel bilgisayarların temel bileşenleridir. Kuantum bitleri veya Qubitler, kuantum bilgisayarların temel birimleridir.
Temel olarak, kuantum bitleri farklı şekilde çalışır. Bazen geleneksel bit olarak da bilinen ikili bit, 0 veya 1 olabilen bir anahtardır.
Ölçtüğümüzde bitin mevcut durumunu geri alırız. Qubit'ler bunun bir istisnasıdır. Kübitler, üç boyutu gösteren oklarla karşılaştırılabilir.
Yukarıyı gösteriyorlarsa 0 durumundadırlar. Aşağıyı gösteriyorlarsa 1 durumundadırlar. Aynısı klasik bitler için de geçerlidir.
Bununla birlikte, bir süperpozisyon durumunda olmayı da seçebilirler.
Bir ok, başka bir yöne işaret ettiği durumda. 0 ve 1'in süperpozisyonu bu duruma neden olur. Bir Qubit, ölçüldüğünde sonuç olarak hala 1 veya 0 üretecektir.
Ancak, okun yönü ilgili bir olasılığı belirler.
Ok öncelikle aşağıyı gösteriyorsa 1, yukarıyı gösteriyorsa 0 almanız daha olasıdır.
Ok ortadaysa, her biri için %50 kazanma şansınız olacak. Kısaca süperpozisyondur.
dolaşıklık
Geleneksel bir bilgisayardaki bitler birbirinden bağımsızdır. Bir bitin durumunun diğer bitin durumuyla hiçbir ilgisi yoktur.
Kuantum bilgisayarlardaki kübitler birbirine karışabilir. Bu, tek bir büyük kuantum durumunda birleştikleri anlamına gelir.
Örnek olarak, çeşitli süperpozisyon durumlarında olan ancak henüz dolaşmamış iki kübit düşünün. Şu anda, olasılıkları birbirlerine bağlı değildir.
Onları dolaştırdığımızda, bu bağımsız olasılıkları atmalı ve kaçabileceğimiz tüm alternatif durumların, yani 00, 01, 10 ve 11'in olasılıklarını belirlemeliyiz.
Kübitler birbirine karıştığı için bir kübit üzerindeki okun yönü değiştirilirse, tüm sistemin olasılık dağılımı değişir.
Kübitlerin birbirinden bağımsızlığı kayboldu. Her biri aynı büyüklükteki devletin bir bileşenidir. Kaç tane kübitiniz olursa olsun, durum hala böyle.
n kübitli bir kuantum bilgisayar için olası bir 2n durum kombinasyonu vardır.
Örneğin, bir kübit için iki durum arasında bir olasılık dağılımınız var. İki kübit vb. için dört durum arasında bir olasılık dağılımınız var. Klasik ve kuantum bilgisayarlar arasındaki temel ayrım şudur.
Klasik bilgisayarları istediğiniz koşula koyabilirsiniz, ancak her seferinde yalnızca bir tane. Bu durumların tümü, bir süperpozisyon olarak kuantum bilgisayarlarda eşzamanlı olarak var olabilir.
Bilgisayar aynı anda tüm bu durumlarda olmaktan nasıl yararlanabilir? Son girişim unsuru bu noktada devreye girer.
Girişim
Bir kübitin durumunu tanımlamak için bir kuantum dalga fonksiyonu kullanılabilir.
Kuantum fiziğindeki her şeyin temel matematiksel açıklaması dalga fonksiyonları tarafından sağlanır.
Birçok kübit birbirine karıştığında, kuantum bilgisayarın genel durumunu tanımlayan tek bir dalga fonksiyonu oluşturmak için bireysel dalga fonksiyonları bir araya getirilir.
Girişim, bu dalga fonksiyonlarının bir araya getirilmesinin sonucudur. Dalgalar birbirine eklendiğinde, tıpkı su dalgalanmalarının yaptığı gibi, daha büyük bir dalga oluşturmak için yapıcı bir şekilde etkileşime girebilir ve birleşebilirler.
Ayrıca birbirlerine karşı koymak için yıkıcı bir şekilde etkileşime girebilirler. Çeşitli durumların değişken olasılığı, kuantum bilgisayarın genel dalga fonksiyonu tarafından belirlenir.
Çeşitli kübitlerin durumlarını değiştirerek kuantum bilgisayarı ölçtüğümüzde belirli durumların ortaya çıkma olasılığını değiştirebiliriz.
Kuantum bilgisayar aynı anda birden fazla durum üst üste gelebilse de, ölçümler bu durumlardan yalnızca birini ortaya çıkarır.
Bu nedenle, bir hesaplama işini tamamlamak için bir kuantum bilgisayar kullanırken, doğru yanıtı alma olasılığını artırmak için yapıcı girişime ve yanlış yanıt alma olasılığını azaltmak için yıkıcı girişime ihtiyaç vardır.
Şimdi, Qiskit ile başlayalım.
Nedir kiskit?
Qiskit, herkesin kuantum hesaplama alanına girmesini kolaylaştırmak için tasarlanmış, IBM tarafından finanse edilen bir yazılım çerçevesidir.
Kuantum bilgisayarları elde etmek zor olduğu için, Qiskit araç kutusunu kullanarak IBM gibi bir bulut sağlayıcısı aracılığıyla bir tane edinebilirsiniz.
Ücretsiz olarak kullanılabilir ve tüm kodu açık kaynak.
Var çevrimiçi ders kitabı Bu size kuantum fiziğinin tüm temellerini öğretir, bu da konuya aşina olmayanlar için çok faydalıdır. Python, Qiskit araç setini geliştirmek için kullanılır.
Bu nedenle, Python programlama diline aşina iseniz, birçok kodu tanıyacaksınız.
Yazılım çerçevesi isteyenler için uygundur. kuantum hesaplama hakkında bilgi edinin aynı zamanda pratik deneyim kazanır.
Qiskit'in en temel özelliği iki aşamalı olarak çalışmasıdır. Adımlardan biri, birkaç kuantum devresi oluşturduğumuz ve bu devreleri sorunu çözmek için kullandığımız yapı aşamasıdır.
Ardından, inşa aşamasını tamamladıktan veya çözüme ulaştıktan sonra, yapımızı veya çözümümüzü çeşitli arka uçlarda (durum vektörü arka uç, üniter arka uç, açık) çalıştırmaya çalıştığımız, yürütme aşaması olarak bilinen bir sonraki aşamaya geçiyoruz. ASM arka ucu) ve çalıştırma tamamlandıktan sonra, istenen çıktı için derlemedeki verileri işleriz.
Qiskit'i kullanmaya başlama
Kişisel bilgisayarınıza veya IBM'in barındırdığı Jupyter Notebook'a yerel olarak kurabilirsiniz. Bir Windows bilgisayarına yerel olarak yüklemek için aşağıdaki kodu yazın:
IBM'in kuantum cihazlarını kullanmamızı sağlayan API belirtecine erişmek için buraya kaydolmamız gerekiyor ve ardından şirketin web sitesiyle çalışmaya başlayabiliriz. Bunu, çevrimiçi çalışan Qiskit yüklü bir Jupyter Notebook kullanarak yapmayı hayal edebilirsiniz.
Sayfanın sağ üst köşesindeki menüden Profilinizi seçip ardından Hesap bilgileri'ni seçerek erişebilirsiniz. API jetonunuzu API jetonları bölümünde *** şeklinde bulabilirsiniz. Kopyalanır ve ardından aşağıdaki koda girilir:
Bu kod yürütüldükten sonra, API simgeniz bilgisayarınıza kaydedilerek IBM'in kuantum aygıtlarını kullanmanıza olanak tanır. Böyle bir cihaza erişiminiz olup olmadığını belirlemek için aşağıdakileri girin:
Bahsedilen kod çalışıyorsa, sadece bilgisayarınızda değil, yerleşik kuantum devrelerini IBM'in kuantum cihazlarına göndererek ve sonuçları alarak da kod çalıştırabilmeniz gerekir.
Böylece, devre kitaplığını kullanarak ilk kuantum algoritmamızı geliştirmeye başlayabiliriz. Qiskit'ten temel bağımlılıkları projemize aktararak başlıyoruz.
Daha sonra iki bitlik bir kuantum kaydı ve iki bitlik bir geleneksel kayıt oluşturuyoruz.
Yani şimdi hem klasik hem de kuantum kaydı kurduk. Bu ikisini kullanarak devreyi kurabiliriz ve devrenin modifikasyonu boyunca herhangi bir zamanda kuantum devresinin nasıl göründüğünü çizmek isterseniz aşağıdaki kodu yazın:
Devrenin iki kuantum biti ve iki klasik bitten oluştuğunu resimden görebiliriz.
Olduğu gibi, bu devrede kapı yok, bu da onu ilgisiz hale getiriyor. Şimdi kuantum kapılarını kullanarak devreyi oluşturalım. klasik gibi mantık kapıları (VE, VEYA kapıları) normal dijital devreler içindir, kuantum kapıları kuantum devrelerinin temel bileşenleridir.
Hadamard kapısını ilk kübite uygulamak, dolaşıklık yaratmanın ilk adımıdır. Ardından, aşağıdaki kodu kullanarak iki kübit kontrollü bir x işlemi ekleyeceğiz:
Artık bu iki operatör kuantum devremizi oluşturmak için kullanıldığına göre, kuantum bitlerini (kübitler) ölçmenin, bu ölçümleri almanın ve bunları klasik bitlerde saklamanın zamanı geldi. Bunu başarmak için gerekli kodu oluşturalım:
Aşağıdaki şema devremizin düzenini göstermektedir:
Devre daha sonra geleneksel bir bilgisayar simülatöründe çalıştırılmalıdır. Devre tamamlandı. Ve bu infazın sonuçlarını inceleyin.
Bu devrenin gerçekleştirilmesiyle elde edilen bilgiler sonuç değişkeninde saklanır. Bu sonuçları bir arsa histogramı kullanarak gösterelim.
Kuantum devremizi çalıştırdığımızda olan budur. 00 ve 11 sayıları için %50 civarında olasılık alıyoruz. İlk kuantum bilgisayar devreniz yapıldı. Tebrikler!
Qiskit Kuantum Hesaplama Uygulamaları
Qiskit Finans
Qiskit Finance tarafından bir dizi tanıtıcı araç ve uygulama sunulmaktadır. Bunlar arasında portföy optimizasyonu için Ising çevirmenleri, gerçek veya rastgele veriler için veri tedarikçileri ve çeşitli finansal seçenekleri veya kredi riski değerlendirmelerini fiyatlandırmaya yönelik uygulamalar yer alır.
Qiskit Doğa
Gibi uygulamalar protein katlanması ve elektronik/vibronik yapı hem uyarılmış hem de temel durumlar için hesaplamalar Qiskit Nature tarafından desteklenir.
Klasik kodların bağlanması ve kuantum bilgisayarların ihtiyaç duyduğu farklı temsillere otomatik olarak dönüştürülmesi için gereken tüm parçaları sunar.
Qiskit Makine Öğrenimi
Kuantum makine öğrenme bunları regresyon ve sınıflandırma gibi çeşitli sorunları çözmek için kullanan yöntemler, temel kuantum çekirdekleri ve kuantum sinir ağlarının (QNN'ler) yanı sıra yapı taşları olarak Qiskit Machine Learning tarafından sağlanmaktadır.
Ayrıca, kuantum öğelerini klasik işlemlere dahil etmek amacıyla QNN'lerin PyTorch'a bağlanmasını sağlar.
Qiskit Optimizasyonu
Qiskit Optimization, optimizasyon sorunlarının üst düzey modellemesi, sorunların çeşitli gerekli temsillere otomatik olarak çevrilmesi ve basit kuantum optimizasyon yöntemleri koleksiyonu dahil olmak üzere tüm optimizasyon hizmetleri yelpazesini sunar.
Sonuç
Sonuç olarak, şu anda mevcut olan en hızlı süper bilgisayar yıllar alırken, kuantum bilgisayarlar mevcut şifreleme yöntemlerini hızla kırabilir.
Kuantum bilgisayarların günümüzde kullanılan şifreleme tekniklerinin birçoğunu kırabilecek olmasına rağmen, bunların hacklenmeyen ikameler yaratmaları bekleniyor.
Problemleri optimize etmek, kuantum bilgisayarların bir gücüdür. Daha fazla ayrıntı için lütfen Qiskit'i ziyaret edin. GitHub.
Yorum bırak