Raqamli o'zgarishlar tufayli dunyo har qachongidan ham tezroq o'zgarmoqda.
Hozirgi paradigmalarni hayratlanarli tezlik va quvvat bilan tubdan o'zgartirishga qodir bo'lgan yana bir yangi texnologiya to'lqinining paydo bo'lishi bilan: kvant hisoblash, raqamli davrning asosiy g'oyalarini tushunish yanada muhimroq bo'ladi.
Kvant hisoblash deb ataladigan yutuq texnikasi an'anaviy kompyuterlar doirasidan tashqarida bo'lgan muammolarni hal qilish uchun kvant fizikasidan foydalanadi.
Kvant nazariyasi tamoyillari materiya va energiyaning atom va subatomik miqyosda qanday harakat qilishini ko'rsatadi va IBMning Qiskit kvant hisoblash tizimlarini yaratishda yordam beradigan ochiq manbali kvant dasturiy ta'minotini ishlab chiqish to'plamidir.
Ushbu maqola buni tushuntirishga intiladi va sizga kvant hisoblashlari haqida umumiy ma'lumot beradi.
Biz o'quvchilarimizga ochiq manbali kvant hisoblashlari yordamida tushuntiramiz SDK, ya'ni. Qiskit va ulardan foydalanishni o'rganishga ruxsat bering Jupiter noutbuklari IBM Quantum Lab-da joylashgan.
Kvant hisoblash nima?
Kvant hisoblash kompyuter fanining kvant nazariyasi gʻoyalari yordamida kompyuter texnologiyalarini rivojlantirishga qaratilgan boʻlimi.
U bir vaqtning o'zida 0 va 1 kabi ko'plab shtatlarda mavjud bo'lish uchun subatomik zarralarning ajoyib imkoniyatlaridan foydalanadi.
Ular oddiy kompyuterlarga qaraganda ko'proq ma'lumotlarni qayta ishlashga qodir.
Kvant hisoblash jarayonlarida qubit ob'ektning kvant holatidan foydalangan holda amalga oshiriladi. Kvant hisoblashda muhim ma'lumotlar bo'laklari kubitlardir.
Ular kvant hisoblashda an'anaviy hisoblashda bitlar bilan bir xil funktsiyani bajaradi, ammo ular butunlay boshqacha ishlaydi. Kvant hisoblash 1980-yillarda paydo bo'lgan sohadir.
Keyin kvant algoritmlari ba'zi kompyuter vazifalarini bajarishda klassik hamkasblariga qaraganda samaraliroq ekanligi aniqlandi.
Superpozitsiya va chalkashlik, kvant fizikasining ikkita tushunchasi, bu superkompyuterlarning asosi hisoblanadi.
An'anaviy kompyuterlar bilan solishtirganda, kvant kompyuterlari hozirda katta hajmdagi ishlarni tezroq bajarishi va juda kam energiya sarflashi mumkin.
Buni to'liq tushunish uchun biz kvant kompyuterlarining ishlashini davom ettirishimiz kerak. Keling, hozir boshlaylik.
Kvant kompyuteri aslida qanday ishlaydi?
Biz o'rganib qolgan an'anaviy kompyuterlar bilan solishtirganda, kvant kompyuterlari muammolarni echishga boshqacha yondashadi. Ba'zi vazifalar uchun kvant kompyuterlari bir necha jihatdan an'anaviy kompyuterlardan afzalroqdir.
Ularning bir vaqtning o'zida ko'plab shtatlarda mavjud bo'lish qobiliyati sabab deb hisoblanadi. Boshqa tomondan, an'anaviy kompyuterlar bir vaqtning o'zida faqat bitta holatda bo'lishi mumkin.
Kvant kompyuterlari qanday ishlashini tushunish uchun uchta asosiy tushunchani tushunishingiz kerak:
- Superpozitsiya.
- Bog'lanish.
- Shovqin.
Superpozitsiya
Bitlar an'anaviy kompyuterlarning asosiy komponentlari hisoblanadi. Kvant bitlari yoki qubitlar kvant kompyuterlarining asosiy birliklari hisoblanadi.
Asosan, kvant bitlari boshqacha ishlaydi. Ikkilik bit, ba'zan an'anaviy bit sifatida tanilgan, 0 yoki 1 bo'lishi mumkin bo'lgan kalit.
Biz bitni o'lchaganimizda uning hozirgi holatini qaytarib olamiz. Qubitlar bundan mustasno. Qubitlarni uch o'lchamga ishora qiluvchi o'qlar bilan solishtirish mumkin.
Agar ular yuqoriga ishora qilsalar, ular 0 holatidadir. Agar ular pastga ishora qilsa, ular 1 holatda bo'ladi. Klassik bitlar bilan ham xuddi shunday.
Biroq, ular superpozitsiya holatida bo'lishni ham tanlashlari mumkin.
O'q boshqa yo'nalishni ko'rsatadigan holatda. 0 va 1 ning superpozitsiyasi shu holatga olib keladi. Qubit o'lchanganda ham 1 yoki 0 ni hosil qiladi.
Biroq, o'qning yo'nalishi tegishli bo'lgan ehtimollikni aniqlaydi.
Agar strelka asosan pastga qaragan bo'lsa, 1 va yuqoriga qaratilgan bo'lsa, 0 ni olish ehtimoli ko'proq.
Agar o'q markazda bo'lsa, har birida g'alaba qozonish uchun 50% imkoniyatga ega bo'lasiz. Bir so'z bilan aytganda, bu superpozitsiya.
To'siq
An'anaviy kompyuterdagi bitlar bir-biridan mustaqil. Bitning holati boshqa bitning holatiga ta'sir qilmaydi.
Kvant kompyuterlaridagi kubitlar bir-biri bilan aralashib ketishi mumkin. Bu ularning yagona katta kvant holatiga birlashishini anglatadi.
Misol uchun, har xil superpozitsiya holatida bo'lgan, ammo hali chigal bo'lmagan ikkita kubitni ko'rib chiqing. Bu vaqtda ularning ehtimoli bir-biriga tayanmaydi.
Biz ularni chalkashtirib yuborganimizda, biz mustaqil ehtimolliklardan voz kechishimiz va qochib qutulishimiz mumkin bo'lgan barcha muqobil holatlarning, ya'ni 00, 01, 10 va 11 ning ehtimolliklarini aniqlashimiz kerak.
Agar bir kubitdagi strelka yo'nalishi o'zgartirilsa, butun tizimning ehtimollik taqsimoti o'zgaradi, chunki qubitlar chigallashgan.
Qubitlarning bir-biridan mustaqilligi yo'qolgan. Ularning har biri bir xil o'lchamli davlatning tarkibiy qismidir. Sizda qancha qubit bo'lishidan qat'i nazar, bu hali ham shunday.
n kubitli kvant kompyuteri uchun 2n holatning mumkin kombinatsiyasi mavjud.
Sizda ikki holat bo'yicha ehtimollik taqsimoti mavjud, masalan, bir kubit uchun. Ikki kubit va boshqalar uchun to'rtta shtat bo'yicha ehtimollik taqsimotiga egasiz. Klassik va kvant kompyuterlari o'rtasidagi asosiy farq shu.
Siz klassik kompyuterlarni o'zingiz tanlagan har qanday holatda qo'yishingiz mumkin, lekin bir vaqtning o'zida faqat bitta. Bu holatlarning barchasi bir vaqtning o'zida kvant kompyuterlarida superpozitsiya sifatida mavjud bo'lishi mumkin.
Kompyuter bir vaqtning o'zida barcha shtatlarda bo'lishdan qanday foyda ko'rishi mumkin? Interferentsiyaning oxirgi elementi shu nuqtada kiradi.
aralashmaslik
Qubit holatini tasvirlash uchun kvant to'lqin funksiyasidan foydalanish mumkin.
Kvant fizikasidagi hamma narsaning asosiy matematik tavsifi to'lqin funksiyalari bilan ta'minlanadi.
Ko'p qubitlar chigallashganda, ularning individual to'lqin funktsiyalari kvant kompyuterining umumiy holatini tavsiflovchi yagona to'lqin funktsiyasini hosil qilish uchun birlashtiriladi.
Interferentsiya bu to'lqin funktsiyalarini birgalikda qo'shish natijasidir. To'lqinlar bir-biriga qo'shilganda, ular konstruktiv tarzda o'zaro ta'sir qilishi va birlashishi mumkin, xuddi suv to'lqinlari kabi kattaroq to'lqin hosil qiladi.
Ular, shuningdek, bir-biriga qarshi kurashish uchun halokatli o'zaro ta'sir qilishi mumkin. Turli holatlarning turli xil ehtimoli kvant kompyuterining umumiy to'lqin funktsiyasi bilan belgilanadi.
Biz kvant kompyuterini turli kubitlarning holatini o'zgartirish orqali o'lchaganimizda ma'lum holatlar paydo bo'lish ehtimolini o'zgartirishimiz mumkin.
Kvant kompyuteri bir vaqtning o'zida bir nechta holatlar superpozitsiyasida mavjud bo'lishi mumkin bo'lsa-da, o'lchovlar ushbu holatlardan faqat bittasini aniqlaydi.
Shuning uchun, hisoblash ishini bajarish uchun kvant kompyuteridan foydalanganda, to'g'ri javobni olish ehtimolini oshirish uchun konstruktiv aralashuv va noto'g'ri javob olish ehtimolini kamaytirish uchun halokatli shovqin kerak.
Endi Qiskitdan boshlaylik.
Nima bu Qiskit?
Qiskit - bu IBM tomonidan moliyalashtirilgan dasturiy ta'minot tizimi bo'lib, har bir kishi uchun kvant hisoblash sohasiga kirishni osonlashtirish uchun mo'ljallangan.
Kvant kompyuterlarini olish qiyin bo'lgani uchun siz ularni Qiskit asboblar qutisidan foydalanib, IBM kabi bulutli provayder orqali olishingiz mumkin.
U bepul va uning barcha kodi mavjud Ochiq manba.
U erda bir onlayn darslik bu sizga kvant fizikasining barcha asoslarini o'rgatadi, bu mavzuni bilmaganlar uchun juda foydali. Python Qiskit asboblar to'plamini ishlab chiqish uchun ishlatiladi.
Shunday qilib, agar siz Python dasturlash tili bilan tanish bo'lsangiz, juda ko'p kodlarni taniy olasiz.
Dasturiy ta'minot ramkasi istaganlar uchun mos keladi kvant hisoblashlari haqida bilib oling amaliy tajriba orttirish bilan birga.
Qiskitning eng asosiy jihati shundaki, u ikki bosqichda ishlaydi. Bosqichlardan biri qurilish bosqichi bo'lib, unda biz bir nechta kvant sxemalarini yaratamiz va muammoni hal qilish uchun ushbu sxemalardan foydalanamiz.
Keyin, qurilish bosqichini tugatgandan so'ng yoki yechimga erishgandan so'ng, biz keyingi bosqichga o'tamiz, bu bajarish bosqichi deb nomlanadi, bunda biz o'z qurilishimiz yoki yechimimizni turli xil orqa tomonlarda (davlat vektori backend, unitar backend, open) ishga tushirishga harakat qilamiz. ASM backend) va ishga tushirish tugallangandan so'ng, biz kerakli natija uchun tuzilishdagi ma'lumotlarni qayta ishlaymiz.
Qiskit bilan ishlashni boshlash
Shaxsiy kompyuteringizda yoki IBM xostidagi Jupyter noutbukida uni mahalliy o'rnatishingiz mumkin. Windows kompyuteriga mahalliy o'rnatish uchun quyidagi kodni yozing:
IBM kvant qurilmalaridan foydalanish imkonini beruvchi API tokeniga kirish uchun biz shu yerda roʻyxatdan oʻtishimiz kerak va keyin kompaniya veb-sayti bilan ishlashni boshlashimiz mumkin. Buni onlayn rejimda ishlaydigan Qiskit o'rnatilgan Jupyter Notebook yordamida amalga oshirishni tasavvur qilishingiz mumkin.
Unga sahifaning yuqori o‘ng burchagidagi menyudan o‘z Profilingizni, so‘ng Hisob ma’lumotlarini tanlash orqali kirishingiz mumkin. Siz o'zingizning API tokeningizni *** shaklida API tokenlari bo'limida topishingiz mumkin. U nusxalanadi va keyin quyidagi kodga kiritiladi:
Ushbu kod bajarilgandan so'ng, sizning API tokeningiz kompyuteringizda saqlanadi, bu sizga IBM kvant qurilmalaridan foydalanish imkonini beradi. Bunday qurilmaga kirishingiz mumkinligini aniqlash uchun quyidagilarni kiriting:
Agar yuqorida aytib o'tilgan kod ishlayotgan bo'lsa, siz kodni nafaqat kompyuteringizda, balki o'rnatilgan kvant sxemalarini IBM kvant qurilmalariga yuborish va natijalarni olish orqali ham ishlatishingiz kerak.
Shunday qilib, sxemalar kutubxonasidan foydalanib, biz birinchi kvant algoritmimizni ishlab chiqishni boshlashimiz mumkin. Biz loyihamizga Qiskit-dan muhim bog'liqliklarni import qilishdan boshlaymiz.
Keyin biz ikki kubitli kvant registrini va ikki bitli an'anaviy registrni quramiz.
Shunday qilib, endi bizda klassik va kvant registrlari o'rnatilgan. Ushbu ikkitasidan foydalanib, biz sxemani qurishimiz mumkin va agar sxemani o'zgartirish paytida istalgan vaqtda kvant zanjiri qanday ko'rinishini chizmoqchi bo'lsangiz, quyidagi kodni yozing:
Rasmdan biz sxema ikkita kvant bit va ikkita klassik bitdan iborat ekanligini ko'rishimiz mumkin.
Qanday bo'lmasin, bu sxemada eshiklar yo'q, bu uni qiziqtirmaydi. Endi kvant shlyuzlari yordamida sxemani tuzamiz. Klassik kabi mantiqiy eshiklar (VA, OR eshiklari) oddiy raqamli kontaktlarning zanglashiga olib keladi, kvant shlyuzlari kvant davrlarining asosiy komponentlari hisoblanadi.
Hadamard darvozasini birinchi kubitga qo'llash chalkashlikni yaratishdagi birinchi qadamdir. Keyin, quyidagi koddan foydalanib, biz ikki kubitli boshqariladigan x operatsiyasini qo'shamiz:
Endi bu ikki operator bizning kvant zanjirimizni qurish uchun ishlatilgan, endi kvant bitlarini (qubits) o'lchash, bu o'lchovlarni olish va ularni klassik bitlarda saqlash vaqti keldi. Bunga erishish uchun kerakli kodni yaratamiz:
Quyidagi diagrammada bizning sxemamizning sxemasi ko'rsatilgan:
Keyin sxema an'anaviy kompyuter simulyatorida ishga tushirilishi kerak. Sxema tugallandi. Va bu ijroning natijalarini ko'rib chiqing.
Ushbu sxemani bajarishdan olingan ma'lumotlar natija o'zgaruvchisida saqlanadi. Keling, ushbu natijalarni grafik gistogramma yordamida ko'rsatamiz.
Kvant zanjirimizni ishga tushirganimizda shunday bo'ladi. 00 va 11 raqamlari uchun biz taxminan 50% ehtimollik olamiz. Sizning dastlabki kvant kompyuteringiz sxemasi qurilgan. Tabriklaymiz!
Qiskit Quantum Computing ilovalari
Qiskit Finance
Ko'rgazmali vositalar va ilovalar to'plami Qiskit Finance tomonidan taklif etiladi. Bularga portfelni optimallashtirish uchun Ising tarjimonlari, haqiqiy yoki tasodifiy ma'lumotlar uchun ma'lumotlar etkazib beruvchilari va turli xil moliyaviy variantlar yoki kredit risklarini baholash uchun ilovalar kiradi.
Qiskit tabiati
kabi ilovalar oqsil katlama va elektron / vibronik tuzilishi hayajonlangan va asosiy holatlar uchun hisob-kitoblar Qiskit Nature tomonidan qo'llab-quvvatlanadi.
U klassik kodlarni ulash va kvant kompyuterlari uchun zarur bo'lgan turli ko'rinishlarga avtomatik ravishda aylantirish uchun zarur bo'lgan barcha qismlarni taklif qiladi.
Qiskit Machine Learning
kvant kompyuterni o'rganish Regressiya va tasniflash kabi turli muammolarni hal qilish uchun ulardan foydalanadigan usullar Qiskit Machine Learning tomonidan, shuningdek, asosiy kvant yadrolari va kvant neyron tarmoqlari (QNN) tomonidan qurilish bloklari sifatida taqdim etiladi.
Shuningdek, u klassik operatsiyalarga kvant elementlarini kiritish maqsadida QNN-larni PyTorch-ga ulash imkonini beradi.
Qiskit optimallashtirish
Qiskit Optimization optimallashtirish xizmatlarining butun spektrini taklif etadi, jumladan, optimallashtirish masalalarini yuqori darajadagi modellashtirish, muammolarni turli kerakli tasvirlarga avtomatlashtirilgan tarjima qilish va oddiy kvant optimallashtirish usullari to'plami.
Xulosa
Xulosa qilib aytadigan bo'lsak, hozirda mavjud bo'lgan eng tezkor superkompyuter yillar talab qilsa-da, kvant kompyuterlari mavjud shifrlash usullarini tezda yo'q qilishlari mumkin.
Kvant kompyuterlari bugungi kunda qo'llaniladigan ko'plab shifrlash usullarini buzishga qodir bo'lishiga qaramay, ular xakerlikdan himoyalangan o'rinbosarlarni yaratishi kutilmoqda.
Muammolarni optimallashtirish kvant kompyuterlarining kuchidir. Qo'shimcha ma'lumot uchun Qiskitga tashrif buyuring GitHub.
Leave a Reply