Điện toán lượng tử là một công nghệ mới sử dụng vật lý lượng tử để giải quyết các vấn đề nằm ngoài khả năng của máy tính truyền thống.
Nhiều công ty hiện đang cố gắng cung cấp phần cứng lượng tử thực tế cho hàng chục nghìn nhà phát triển, một công cụ mà các nhà khoa học chỉ mơ ước cách đây ba thập kỷ.
Do đó, các kỹ sư của chúng tôi thường xuyên triển khai các máy tính lượng tử siêu dẫn ngày càng mạnh mẽ, đưa chúng ta đến gần hơn với tốc độ và năng lực tính toán lượng tử cần thiết để thay đổi thế giới.
Trong bài đăng này, chúng ta sẽ xem xét kỹ hơn Tính toán lượng tử và các công cụ và khuôn khổ đi kèm với nó, cũng như vị trí của chúng vào năm 2022.
Máy tính lượng tử là gì?
Những siêu máy tính này được xây dựng dựa trên nguyên tắc chồng chất và vướng víu, là hai khía cạnh của vật lý lượng tử. Máy tính lượng tử hiện có thể thực hiện các tác vụ với tốc độ nhanh hơn các máy tính truyền thống trong khi sử dụng ít năng lượng hơn.
Vào những năm 1980, lĩnh vực máy tính lượng tử đã hình thành. Sau đó, người ta tiết lộ rằng các thuật toán lượng tử hiệu quả hơn các thuật toán tương đương thông thường của chúng trong việc giải quyết các tác vụ máy tính nhất định.
Máy tính lượng tử là một ngành khoa học máy tính tập trung vào sự tiến bộ của công nghệ máy tính dựa trên các khái niệm lý thuyết lượng tử. Nó sử dụng khả năng phi thường của các hạt hạ nguyên tử để tồn tại ở nhiều trạng thái cùng một lúc, chẳng hạn như 0 và 1. Chúng có khả năng xử lý dữ liệu nhiều hơn đáng kể so với máy tính thông thường.
Trạng thái lượng tử của một mục được sử dụng để tạo qubit trong các hoạt động tính toán lượng tử. Qubit là đơn vị dữ liệu cơ bản của điện toán lượng tử. Trong máy tính lượng tử, chúng phục vụ cùng một công việc mà các bit làm trong máy tính thông thường, nhưng chúng hoạt động hoàn toàn khác.
Các bit truyền thống là nhị phân và chỉ có thể duy trì vị trí 0 hoặc 1, trong khi các qubit có thể bao gồm sự chồng chất của tất cả các trạng thái có thể có.
Khung tốt nhất cho máy tính lượng tử
1. vòng tròn
Cirq được xây dựng bởi nhóm AI lượng tử của Google. Nó được sử dụng để thiết kế và cải tiến các mạch lượng tử sau đó được thử nghiệm trên máy tính lượng tử và bộ mô phỏng. Cirq thật tuyệt vời vì nó cung cấp các trình mô phỏng phát triển khá giống với các trình mô phỏng được thấy trong đời thực.
Điều này ngụ ý rằng thư viện hoạt động theo cách của nó thông qua các chi tiết phần cứng xung quanh NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum) để chúng ta có thể chắc chắn rằng thuật toán hoặc mạch có thể được chạy trên một máy tính lượng tử thực sau khi nó hoàn thành.
Do đó, nó có tiềm năng được khai thác để tạo ra các mạch lượng tử thích ứng và có thể triển khai. Nó cũng có các tính năng tương tác. Ví dụ, một phần mềm nhập và xuất các mạch và mô phỏng lượng tử.
Một khuôn khổ để lập trình máy tính lượng tử mã nguồn mở. Cirq là một Python gói phần mềm cho phép bạn tạo, thao tác và tối ưu hóa các mạch lượng tử trước khi thực thi chúng trên máy tính lượng tử và trình mô phỏng.
Cirq là một trừu tượng hiệu quả để xử lý các máy tính lượng tử quy mô trung gian ồn ào ngày nay, nơi mà các yêu cầu phần cứng là rất quan trọng để đạt được kết quả tiên tiến.
Tính năng
- Từ các cổng hoạt động trên qubit, bạn có thể học cách thiết kế mạch lượng tử. Tìm hiểu Moment là gì và các chiến thuật chèn khác nhau có thể hỗ trợ bạn như thế nào trong việc xây dựng mạch lý tưởng của mình. Tìm hiểu cách cắt và xúc xắc các mạch để tạo các mạch mới và cải tiến.
- Các hạn chế về công nghệ có ảnh hưởng đáng kể đến việc một mạch có thể được thực hiện trên phần cứng hiện đại hay không. Tìm hiểu cách lập trình Dịch vụ máy tính lượng tử của Google và cách tạo thiết bị để giải quyết những hạn chế này.
- Cả hàm sóng và ma trận mật độ đều có trình mô phỏng tích hợp trong Cirq. Monte Carlo hoặc mô phỏng ma trận mật độ đầy đủ có thể được sử dụng để xử lý các kênh lượng tử nhiễu.
- Để thực hiện các bài kiểm tra trên bộ xử lý lượng tử của Google, Cirq cộng tác với Dịch vụ điện toán lượng tử.
2. dự ánQ
ETH Zurich đã tạo ra ProjectQ, một kiến trúc phần mềm điện toán lượng tử mã nguồn mở. Nó cung cấp một mạnh mẽ và đơn giản cú pháp để người dùng tạo các ứng dụng lượng tử bằng Python. Sau đó, ProjectQ có thể chuyển đổi các tập lệnh này sang bất kỳ dạng back-end nào, cho dù đó là trình mô phỏng máy tính cổ điển hay bộ xử lý lượng tử.
Sau đó, ProjectQ có thể chuyển đổi các ứng dụng này sang bất kỳ loại back-end nào, chẳng hạn như trình mô phỏng máy tính cổ điển hoặc bộ xử lý lượng tử, chẳng hạn như nền tảng IBM Quantum Experience.
Tính năng
- CNTT là cấp cao ngôn ngữ lập trình cho các chương trình lượng tử.
- Nó có một trình biên dịch mô-đun và có thể thích ứng.
- Nó cũng cung cấp một số phần cứng và phần mềm phụ trợ.
- Thư viện máy tính lượng tử (FermiLib) để giải quyết các vấn đề về fermionic
- Chip IBM Quantum Experience, các thiết bị AQT, AWS Braket và các thiết bị được cung cấp dịch vụ IonQ đều có thể được sử dụng để chạy các thuật toán lượng tử.
- Ở mức trừu tượng cao hơn, các chương trình lượng tử có thể được mô phỏng (ví dụ: bắt chước hành động của các nhà thần linh lớn thay vì biên dịch chúng thành các cổng cấp thấp)
- Trên máy tính cổ điển, các chương trình lượng tử có thể được mô phỏng.
3. Lượng tử Tensoflow
Khuôn khổ Python TensorFlow Quantum (TFQ) dành cho lượng tử học máy. TFQ là một khuôn khổ ứng dụng TensorFlow cho phép các nhà nghiên cứu thuật toán lượng tử và máy học sử dụng các khuôn khổ điện toán lượng tử của Google trực tiếp từ TensorFlow.
TensorFlow Quantum là một chương trình tập trung vào dữ liệu lượng tử và tạo ra các mô hình lai lượng tử-cổ điển. Nó kết hợp các kỹ thuật và logic tính toán lượng tử do Cirq thiết kế với các API TensorFlow, cũng như các trình mô phỏng mạch lượng tử hiệu suất cao.
Khung TFQ có thể được sử dụng để chạy cả mô hình truyền thống và mô hình lai, chẳng hạn như CNN lượng tử (QCNN). Do đó, TFQ có thể được sử dụng cho bất kỳ vấn đề nào mà trước đây không thể trả lời bằng các phương pháp tiếp cận truyền thống. Để trả lời một số vấn đề trong thế giới thực, hãy bắt đầu với TFQ để tạo ra các mô hình lai lượng tử hoặc lượng tử cổ điển.
Tính năng
- Các nhà nghiên cứu có thể sử dụng TFQ để tạo ra các tensor bằng cách sử dụng bộ dữ liệu lượng tử, mô hình lượng tử và các tham số điều khiển thông thường trong một mạng tính toán duy nhất.
- Hàng chục được sử dụng để lưu trữ dữ liệu lượng tử (một mảng số nhiều chiều). Mỗi tensor dữ liệu lượng tử được mô tả như một mạch lượng tử Cirq tạo ra dữ liệu lượng tử đang bay.
- Nhà nghiên cứu có thể sử dụng Cirq để tạo nguyên mẫu một lượng tử mạng lưới thần kinh sẽ được đưa vào biểu đồ tính toán TensorFlow sau này.
- Khả năng đào tạo và thực thi đồng thời nhiều mạch lượng tử là đặc điểm chính của TensorFlow Quantum.
4. tri giác
Perceval là một khung mã nguồn mở để lập trình máy tính lượng tử quang tử được phát triển bởi Perceval, một doanh nghiệp Pháp tập trung vào việc xây dựng thế hệ máy tính lượng tử mới dựa trên thao tác ánh sáng.
Perceval cung cấp các công cụ để tạo mạch từ các thành phần quang học tuyến tính, xác định nguồn photon đơn, thao tác trạng thái Fock, chạy mô phỏng lượng tử, tái tạo các bài báo thí nghiệm đã xuất bản và thử nghiệm thế hệ thuật toán lượng tử mới thông qua API Python hướng đối tượng đơn giản.
Mục tiêu của nó là trở thành một công cụ đồng hành để xây dựng các mạch quang tử lượng tử - để mô phỏng và tinh chỉnh thiết kế của chúng, mô hình hóa cả hành vi lý tưởng và thực tế, đồng thời cung cấp một giao diện chuẩn hóa để điều khiển chúng thông qua khái niệm phụ trợ.
Nó được tối ưu hóa để hoạt động trên máy tính để bàn cục bộ, với nhiều cải tiến cho các cụm HPC và cung cấp quyền truy cập vào các phần phụ trợ phức tạp để mô phỏng số và biểu tượng của các thuật toán lượng tử trên mạch quang tử.
Bạn cũng có thể sử dụng một số lượng lớn các thành phần đúc sẵn để tạo ra các thuật toán và mạch quang tuyến tính phức tạp. Có thể truy cập thư viện các thuật toán nổi tiếng cũng như các bài học về cách sử dụng chúng.
Bạn cũng có thể sử dụng một vài dòng mã để thực hiện các thử nghiệm nhằm tinh chỉnh các thuật toán, so sánh với dữ liệu thử nghiệm và tạo lại các ấn phẩm đã xuất bản.
Tính năng
- Kiến trúc độc nhất vô nhị dành riêng cho quang học tuyến tính và tính toán lượng tử quang tử
- Dự án là một dự án mã nguồn mở với kiến trúc mô-đun, hoan nghênh sự đóng góp của cộng đồng.
- Sử dụng một thư viện khổng lồ gồm các thành phần đúc sẵn, tạo ra các thuật toán và các mạch quang tuyến tính phức tạp. Có thể truy cập thư viện các thuật toán nổi tiếng cũng như các bài học về cách sử dụng chúng.
- Thử nghiệm với các thuật toán để tinh chỉnh chúng, so sánh chúng với dữ liệu thử nghiệm và sao chép các ấn phẩm hiện có trong một vài dòng mã.
- Để mô phỏng các thuật toán lượng tử trên các mạch quang tử, hãy sử dụng các phần mềm phụ trợ phức tạp. Perceval được thiết kế để chạy trên máy tính để bàn cục bộ về hiệu suất cả số và biểu tượng, với nhiều cải tiến cho các cụm HPC.
5. qiskit
Chúng tôi biết rằng nếu chúng tôi đang nói về công nghệ thế hệ tiếp theo, IBM sẽ có thứ gì đó để cung cấp. Chắc chắn là có. QisKit là một nền tảng mã nguồn mở để phát triển phần mềm lượng tử.
Qiskit là một khung phần mềm do IBM tài trợ giúp người dùng tìm hiểu về Tính toán lượng tử. Vì máy tính lượng tử rất khó sử dụng, bạn có thể sử dụng một nhà cung cấp đám mây như bộ công cụ Qiskit của IBM để có được quyền truy cập vào một máy tính đó.
Nó hoàn toàn miễn phí để sử dụng và tất cả mã là mã nguồn mở. Có một sách giáo khoa trực tuyến dạy cho bạn tất cả các nguyên tắc cơ bản của vật lý lượng tử, rất hữu ích cho những người mới bắt đầu chưa quen với môn học này.
Máy tính lượng tử có thể được sử dụng ở cấp độ xung, mạch và mô-đun ứng dụng.
Tính năng
- Người dùng ở nhiều cấp độ khác nhau có thể sử dụng Qiskit để nghiên cứu và phát triển ứng dụng vì nó đi kèm với một bộ sưu tập hoàn chỉnh các cổng lượng tử và một loạt các mạch được xây dựng sẵn.
- Bạn có thể sử dụng Qiskit Runtime để điều phối các ứng dụng lượng tử trên CPU, QPU và GPU dựa trên đám mây, cũng như chạy và lên lịch các hoạt động trên bộ xử lý lượng tử thực tế.
- Bộ chuyển đổi chuyển đổi mã Qiskit thành một mạch hiệu quả sử dụng bộ cổng gốc của phần phụ trợ, cho phép người dùng thiết kế cho bất kỳ bộ xử lý hoặc kiến trúc lượng tử nào với đầu vào tối thiểu.
Kết luận
Tóm lại, máy tính lượng tử có thể nhanh chóng thâm nhập vào các kỹ thuật mã hóa ngày nay trong một khoảng thời gian ngắn, trong khi siêu máy tính tốt nhất có thể truy cập hiện nay phải mất nhiều năm.
Mặc dù thực tế là máy tính lượng tử sẽ có khả năng bẻ khóa nhiều chương trình mã hóa ngày nay, người ta vẫn mong đợi rằng chúng sẽ phát triển các giải pháp thay thế chống hack. Máy tính lượng tử rất tuyệt vời trong việc giải quyết các vấn đề tối ưu hóa.
Bình luận