Квантові обчислення — це нова технологія, яка використовує квантову фізику для вирішення проблем, які виходять за межі можливостей традиційних комп’ютерів.
Зараз багато компаній намагаються зробити фактичне квантове обладнання доступним для десятків тисяч розробників, інструмент, про який вчені лише мріяли три десятиліття тому.
У результаті наші інженери часто розгортають дедалі потужніші надпровідні квантові комп’ютери, наближаючи нас до швидкості та потужності квантових обчислень, необхідних для зміни світу.
У цій публікації ми детальніше розглянемо квантові обчислення інструменти та фреймворки, які з цим пов’язані, а також де вони будуть у 2022 році.
Що таке квантові обчислення?
Ці суперкомп’ютери побудовані на принципах суперпозиції та заплутування, які є двома аспектами квантової фізики. Тепер квантові комп’ютери можуть виконувати завдання на порядки швидше, ніж традиційні комп’ютери, споживаючи набагато менше енергії.
У 1980-х роках виникла область квантових обчислень. Тоді було виявлено, що квантові алгоритми ефективніші, ніж їхні звичайні еквіваленти, у вирішенні певних комп’ютерних завдань.
Квантові обчислення — це дисципліна інформатики, яка зосереджується на розвитку комп’ютерних технологій на основі концепцій квантової теорії. Він використовує надзвичайну здатність субатомних частинок існувати в кількох станах одночасно, наприклад 0 і 1. Вони здатні обробляти значно більше даних, ніж звичайні комп’ютери.
Квантовий стан елемента використовується для створення кубіта в операціях квантового обчислення. Кубіти є фундаментальними одиницями даних квантових обчислень. У квантових обчисленнях вони виконують ту саму роботу, що й біти у звичайних обчисленнях, але поводяться вони зовсім по-іншому.
Традиційні біти є двійковими і можуть підтримувати лише позицію 0 або 1, тоді як кубіти можуть містити суперпозицію всіх можливих станів.
Найкращі фреймворки для квантових обчислень
1. Cirq
Cirq створила команда Google Quantum AI. Він використовується для розробки та вдосконалення квантових схем, які потім тестуються на квантових комп’ютерах і симуляторах. Cirq є фантастичним, оскільки пропонує симулятори розробки, які дуже схожі на ті, що можна побачити в реальному житті.
Це означає, що бібліотека працює через деталі апаратного забезпечення NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum), щоб ми могли бути впевнені, що алгоритм або схему можна запустити на реальному квантовому комп’ютері після завершення.
Як результат, він має потенціал, який можна використовувати для створення адаптивних квантових схем, які можна розгортати. Він також має функції взаємодії. Наприклад, програмне забезпечення, яке імпортує та експортує квантові схеми та моделювання.
Фреймворк для програмування квантових комп’ютерів з відкритим кодом. Cirq - це a Python програмний пакет, який дозволяє створювати, керувати та оптимізувати квантові схеми перед їх виконанням на квантових комп’ютерах і симуляторах.
Cirq — це ефективна абстракція для роботи з сучасними шумними квантовими комп’ютерами середнього рівня, де вимоги до апаратного забезпечення є критичними для досягнення передових результатів.
риси
- Від воріт, що працюють на кубітах, ви можете навчитися проектувати квантові схеми. Дізнайтеся, що таке момент і як різні тактики введення можуть допомогти вам у побудові вашої ідеальної схеми. Дізнайтеся, як нарізати схеми, щоб створювати нові та вдосконалені схеми.
- Технологічні обмеження мають значний вплив на те, чи можна реалізувати схему на сучасному обладнанні. Дізнайтеся, як запрограмувати службу квантових обчислень Google і як створити пристрої для вирішення цих обмежень.
- І хвильові функції, і матриці щільності мають вбудовані симулятори в Cirq. Моделювання методом Монте-Карло або матриці повної щільності можна використовувати для вирішення шумових квантових каналів.
- Для виконання тестів на квантових процесорах Google Cirq співпрацює з Quantum Computing Service.
2. ProjectQ
ETH Zurich створив ProjectQ, архітектуру квантового обчислення з відкритим кодом. Він забезпечує надійність і простоту синтаксис для користувачів, щоб створювати квантові програми на Python. Потім ProjectQ може конвертувати ці сценарії в будь-яку форму серверної обробки, будь то класичний комп’ютерний симулятор чи квантовий процесор.
Потім ProjectQ може перетворити ці додатки на будь-яке серверне програмне забезпечення, наприклад, класичний комп’ютерний симулятор або квантовий процесор, як-от платформа IBM Quantum Experience.
риси
- IT високого рівня мова програмування для квантових програм.
- Він має модульний і адаптований компілятор.
- Він також пропонує ряд апаратних і програмних серверних модулів.
- Бібліотека квантового комп’ютера (FermiLib) для вирішення ферміонних проблем
- Чіп IBM Quantum Experience, пристрої AQT, AWS Braket і сервісні пристрої IonQ можна використовувати для запуску квантових алгоритмів.
- На більш високому рівні абстракції можна емулювати квантові програми (наприклад, імітувати дії великих оракулів замість компіляції їх у ворота низького рівня)
- На класичних комп'ютерах квантові програми можна симулювати.
3. Tensoflow Quantum
Фреймворк Python TensorFlow Quantum (TFQ) призначений для quantum навчання за допомогою машини. TFQ — це фреймворк програми TensorFlow, який дозволяє дослідникам квантових алгоритмів і машинного навчання використовувати фреймворки квантових обчислень Google безпосередньо з TensorFlow.
TensorFlow Quantum — це програма, яка фокусується на квантових даних і створенні квантово-класичних гібридних моделей. Він поєднує розроблені Cirq методи квантового обчислення та логіку з API TensorFlow, а також високопродуктивні симулятори квантових схем.
Фреймворк TFQ можна використовувати для запуску як традиційних, так і гібридних моделей, таких як Quantum CNN (QCNN). У результаті TFQ можна використовувати для будь-якої проблеми, на яку раніше неможливо було відповісти за допомогою традиційних підходів. Щоб відповісти на певні проблеми реального світу, почніть із TFQ, щоб створити квантові або квантово-класичні гібридні моделі.
риси
- Дослідники можуть використовувати TFQ для створення тензорів, використовуючи квантові набори даних, квантові моделі та звичайні контрольні параметри в одній обчислювальній мережі.
- Тензори використовуються для зберігання квантових даних (багатомірного масиву чисел). Кожен тензор квантових даних описується як квантова схема Cirq, яка створює квантові дані на льоту.
- Дослідник може використовувати Cirq для прототипу кванта нейронної мережі які пізніше будуть включені в обчислювальний графік TensorFlow.
- Здатність одночасно навчати та виконувати численні квантові схеми є головною особливістю TensorFlow Quantum.
4. Персевель
Perceval — це платформа з відкритим вихідним кодом для програмування фотонних квантових комп’ютерів, розроблена французькою компанією Perceval, яка зосереджується на створенні нового покоління квантових комп’ютерів на основі маніпуляції світлом.
Perceval пропонує інструменти для складання схем із лінійних оптичних компонентів, визначення однофотонних джерел, маніпулювання станами Фока, запуску квантового моделювання, відтворення опублікованих експериментальних статей та експериментування з новим поколінням квантових алгоритмів за допомогою простого об’єктно-орієнтованого API Python.
Його мета — бути допоміжним інструментом для побудови квантових фотонних схем — для симуляції та вдосконалення їх дизайну, моделювання як ідеальної, так і фактичної поведінки та пропонування стандартизованого інтерфейсу для керування ними за допомогою поняття серверних модулів.
Він оптимізований для роботи на локальному робочому столі з багатьма вдосконаленнями для кластерів HPC і забезпечує доступ до складних серверних модулів для чисельного та символьного моделювання квантових алгоритмів на фотонних схемах.
Ви також можете використовувати велику кількість готових компонентів для створення алгоритмів і складних схем лінійної оптики. Доступна бібліотека відомих алгоритмів, а також уроки їх використання.
Ви також можете використовувати кілька рядків коду для виконання експериментів для точного налаштування алгоритмів, порівняння з експериментальними даними та відтворення опублікованих публікацій.
риси
- Єдина у своєму роді архітектура, повністю присвячена лінійній оптиці та фотонним квантовим обчисленням
- Проект є проектом з відкритим кодом і модульною архітектурою, яка вітає внески спільноти.
- Використовуючи величезну бібліотеку готових компонентів, створюйте алгоритми та складні схеми лінійної оптики. Доступна бібліотека відомих алгоритмів, а також уроки їх використання.
- Експериментуйте з алгоритмами, щоб налаштувати їх, порівняйте з експериментальними даними та скопіюйте наявні публікації в декілька рядків коду.
- Щоб емулювати квантові алгоритми на фотонних схемах, використовуйте складні серверні модулі. Perceval розроблений для роботи на локальному робочому столі з точки зору як числової, так і символьної продуктивності, з багатьма вдосконаленнями для кластерів HPC.
5. Qskit
Ми знаємо, що якщо ми говоримо про технологію наступного покоління, IBM буде що запропонувати. Це, звичайно, так. QisKit це платформа з відкритим кодом для розробки квантового програмного забезпечення.
Qiskit — це фреймворк програмного забезпечення, що фінансується IBM і полегшує ознайомлення користувачів квантові обчислення. Оскільки квантові комп’ютери важко знайти, ви можете скористатися хмарним провайдером, таким як набір інструментів IBM Qiskit, щоб отримати доступ до нього.
Його використання абсолютно безкоштовне, і весь код є з відкритим вихідним кодом. Існує онлайн-підручник, який навчає вас усім основам квантової фізики, що дуже корисно для новачків, які не знайомі з предметом.
Квантові комп’ютери можна використовувати на рівні імпульсів, схем і прикладних модулів.
риси
- Користувачі різного рівня можуть використовувати Qiskit для досліджень і розробки додатків, оскільки він постачається з повною колекцією квантових вентилів і рядом готових схем.
- Ви можете використовувати Qiskit Runtime для координації квантових програм на хмарних процесорах, QPU та GPU, а також для запуску та планування дій на реальних квантових процесорах.
- Транспілер перетворює код Qiskit на ефективну схему, використовуючи власний набір шлюзів серверної частини, що дозволяє користувачам проектувати для будь-якого квантового процесора чи архітектури з мінімальними витратами.
Висновок
Підводячи підсумок, можна сказати, що квантові комп’ютери можуть швидко освоїти сучасні методи шифрування за короткий проміжок часу, тоді як для найбільшого доступного суперкомп’ютера потрібні роки.
Незважаючи на те, що квантові комп’ютери зможуть зламати багато сучасних схем шифрування, очікується, що вони розроблять стійкі до злому альтернативи. Квантові комп’ютери чудово справляються з проблемами оптимізації.
залишити коментар