Kvantové programování s Qiskit: Globální úvod

Kvantové počítače, kdysi teoretický koncept, se rychle mění v hmatatelnou realitu. Tento nově vznikající obor slibuje revoluci v odvětvích od medicíny a materiálových věd až po finance a umělou inteligenci. Jak hardware dospívá, pozornost se přesouvá k vývoji softwaru a Qiskit, open-source SDK pro kvantové programování od IBM, stojí v čele této revoluce.

Co je kvantové počítání?

Na rozdíl od klasických počítačů, které ukládají informace jako bity reprezentující 0 nebo 1, kvantové počítače využívají kvantové bity neboli qubity. Qubity mohou existovat v superpozici stavů, což znamená, že mohou současně reprezentovat 0, 1 nebo jejich kombinaci. Kvantové počítače dále využívají jevy jako propletení (entanglement) a kvantovou interferenci k provádění výpočtů zásadně odlišnými způsoby než klasické počítače. To jim umožňuje potenciálně řešit určité problémy, které jsou neřešitelné i pro ty nejvýkonnější superpočítače.

Klíčové koncepty k pochopení zahrnují:

• Superpozice: Qubit existující v několika stavech současně.
• Propletení (Entanglement): Dva nebo více qubitů jsou propojeny tak, že stav jednoho okamžitě ovlivňuje stav ostatních, bez ohledu na vzdálenost, která je dělí.
• Kvantová interference: Manipulace s pravděpodobnostmi různých výpočetních cest s cílem zesílit pravděpodobnost získání správné odpovědi.

Představujeme Qiskit: Vaše brána ke kvantovému programování

Qiskit (Quantum Information Science Kit) je open-source framework vyvinutý společností IBM, který poskytuje nástroje pro kvantové programování, simulaci a provádění experimentů. Qiskit, postavený na Pythonu, nabízí uživatelsky přívětivé rozhraní pro návrh a provádění kvantových obvodů na reálném kvantovém hardwaru nebo simulátorech. Jeho modulární design umožňuje uživatelům soustředit se na specifické aspekty kvantového počítání, od návrhu obvodů po vývoj algoritmů.

Klíčové vlastnosti Qiskit:

• Open Source: Qiskit je volně dostupný a podporuje příspěvky komunity, čímž podporuje inovace a spolupráci.
• Založeno na Pythonu: Díky popularitě a rozsáhlým knihovnám Pythonu poskytuje Qiskit vývojářům známé prostředí.
• Modulární architektura: Qiskit je organizován do modulů, z nichž každý se zabývá specifickými aspekty kvantových počítačů:
• Qiskit Terra: Základ Qiskitu, který poskytuje základní stavební kameny pro kvantové obvody a algoritmy.
• Qiskit Aer: Vysoce výkonný simulátor kvantových obvodů, který uživatelům umožňuje testovat a ladit jejich kvantové programy.
• Qiskit Ignis: Nástroje pro charakterizaci a zmírňování šumu v kvantových zařízeních.
• Qiskit Aqua: Knihovna kvantových algoritmů pro různé aplikace, včetně chemie, optimalizace a strojového učení.
• Přístup k hardwaru: Qiskit umožňuje uživatelům spouštět své programy na kvantových počítačích IBM prostřednictvím cloudu, což poskytuje přístup k nejmodernějšímu kvantovému hardwaru.
• Komunitní podpora: Živá a aktivní komunita výzkumníků, vývojářů a nadšenců poskytuje podporu, zdroje a vzdělávací materiály.

Začínáme s Qiskit: Praktický příklad

Pojďme si projít jednoduchý příklad vytvoření Bellova stavu pomocí Qiskit. Tento příklad demonstruje vytvoření kvantového obvodu, aplikaci kvantových hradel a simulaci obvodu pro pozorování výsledků.

Předpoklady:

• Python 3.6 nebo vyšší
• Nainstalovaný Qiskit (pomocí pip install qiskit)

Příklad kódu:

from qiskit import QuantumCircuit, transpile, Aer, execute
from qiskit.visualization import plot_histogram

# Create a Quantum Circuit with 2 qubits and 2 classical bits
circuit = QuantumCircuit(2, 2)

# Add a Hadamard gate to the first qubit
circuit.h(0)

# Apply a CNOT (CX) gate, entangling the two qubits
circuit.cx(0, 1)

# Measure the qubits
circuit.measure([0, 1], [0, 1])

# Use Aer's qasm_simulator
simulator = Aer.get_backend('qasm_simulator')

# Compile the circuit for the simulator
compiled_circuit = transpile(circuit, simulator)

# Execute the circuit on the simulator
job = execute(compiled_circuit, simulator, shots=1000)

# Get the results of the execution
result = job.result()

# Get the counts, how many times each result appeared
counts = result.get_counts(compiled_circuit)
print("\nTotal counts are:", counts)

# Visualize the results using a histogram
# plot_histogram(counts)

Vysvětlení:

1. Importujeme potřebné moduly z Qiskitu.
2. Vytvoříme QuantumCircuit se dvěma qubity a dvěma klasickými bity. Klasické bity se používají k uložení výsledků měření.
3. Na první qubit aplikujeme Hadamardovo hradlo (h), čímž ho uvedeme do superpozice 0 a 1.
4. Aplikujeme hradlo CNOT (cx) s prvním qubitem jako řídicím a druhým jako cílovým, čímž oba qubity propleteme.
5. Změříme oba qubity a výsledky uložíme do klasických bitů.
6. Použijeme qasm_simulator z Qiskit Aer k simulaci obvodu.
7. Zkompilujeme a spustíme obvod, přičemž specifikujeme počet 'výstřelů' (opakování) pro simulaci.
8. Získáme výsledky a vypíšeme počty, které ukazují, kolikrát se každý možný výsledek (00, 01, 10, 11) objevil.
9. Funkce plot_histogram (zakomentovaná) může být použita k vizualizaci výsledků jako histogram.

Tento jednoduchý příklad ukazuje základní kroky kvantového programování s Qiskit: vytvoření obvodu, aplikace hradel, měření qubitů a simulace obvodu. Měli byste vidět, že výstupy "00" a "11" jsou pozorovány zhruba v 50 % případů, zatímco "01" a "10" se prakticky neobjeví, což ilustruje propletení obou qubitů.

Pokročilé koncepty Qiskit

Kromě základů nabízí Qiskit velké množství pokročilých funkcí pro řešení složitějších kvantových problémů. Mezi ně patří:

Kvantové algoritmy

Qiskit Aqua poskytuje knihovnu předpřipravených kvantových algoritmů, jako jsou:

• Variational Quantum Eigensolver (VQE): Používá se k nalezení energie základního stavu molekul, s aplikacemi v chemii a materiálových vědách. Například výzkumníci v Německu mohou VQE použít k optimalizaci návrhu nových katalyzátorů.
• Quantum Approximate Optimization Algorithm (QAOA): Používá se k řešení problémů kombinatorické optimalizace, jako je problém obchodního cestujícího. Logistická společnost v Singapuru by mohla potenciálně použít QAOA k optimalizaci doručovacích tras.
• Groverův algoritmus: Kvantový vyhledávací algoritmus, který může poskytnout kvadratické zrychlení oproti klasickým vyhledávacím algoritmům. Databázová společnost ve Spojených státech by mohla použít Groverův algoritmus ke zrychlení vyhledávání dat.
• Kvantová Fourierova transformace (QFT): Základní algoritmus používaný v mnoha kvantových algoritmech, včetně Shorova algoritmu pro faktorizaci velkých čísel.

Kvantová korekce chyb

Kvantové počítače jsou ze své podstaty zašuměné, což činí kvantovou korekci chyb klíčovou pro spolehlivé výpočty. Qiskit Ignis poskytuje nástroje pro charakterizaci a zmírňování šumu, jakož i pro implementaci kódů pro korekci chyb. Výzkumníci na univerzitách po celém světě (např. University of Waterloo v Kanadě, Delft University of Technology v Nizozemsku) aktivně pracují na vývoji a implementaci nových technik kvantové korekce chyb pomocí Qiskitu.

Kvantová simulace

Qiskit lze použít k simulaci kvantových systémů, což umožňuje výzkumníkům studovat chování molekul, materiálů a dalších kvantových jevů. To má uplatnění při objevování léků, navrhování materiálů a v základním vědeckém výzkumu. Například vědci v Japonsku používají Qiskit k simulaci chování nových supravodivých materiálů.

Kvantové strojové učení

Kvantové strojové učení zkoumá potenciál kvantových počítačů pro vylepšení algoritmů strojového učení. Qiskit nabízí nástroje pro budování a trénování modelů kvantového strojového učení, které by mohly v určitých úkolech potenciálně překonat klasické algoritmy strojového učení. Například banky ve Švýcarsku zkoumají využití kvantového strojového učení pro detekci podvodů.

Aplikace kvantového programování s Qiskit v reálném světě

Aplikace kvantového programování s Qiskit jsou rozsáhlé a zasahují do mnoha průmyslových odvětví. Zde je několik příkladů:

• Objevování léků: Simulace molekulárních interakcí k urychlení objevování nových léků a terapií. Farmaceutické společnosti po celém světě (např. Roche ve Švýcarsku, Pfizer v USA) zkoumají kvantové simulace pro návrh lepších kandidátů na léky.
• Materiálové vědy: Navrhování nových materiálů se specifickými vlastnostmi, jako jsou supravodiče nebo vysoce výkonné polymery. Výzkumníci v Jižní Koreji používají kvantové simulace k vývoji nových materiálů pro baterie.
• Finance: Optimalizace investičních portfolií, detekce podvodů a vývoj nových finančních modelů. Finanční instituce ve Velké Británii zkoumají kvantové algoritmy pro řízení rizik.
• Logistika: Optimalizace doručovacích tras a řízení dodavatelského řetězce. Společnosti jako DHL a FedEx zkoumají potenciál kvantových počítačů pro zefektivnění svých operací.
• Umělá inteligence: Vývoj výkonnějších algoritmů strojového učení. Google a Microsoft aktivně zkoumají kvantové strojové učení.

Globální kvantové iniciativy a role Qiskitu

Kvantové počítače jsou globálním úsilím s významnými investicemi a výzkumnými iniciativami v mnoha zemích. Tyto iniciativy podporují spolupráci, pohánějí inovace a urychlují vývoj kvantových technologií.

Příklady globálních kvantových iniciativ zahrnují:

• The Quantum Flagship (Evropská unie): Iniciativa v hodnotě 1 miliardy eur na podporu kvantového výzkumu a vývoje v celé Evropě.
• The National Quantum Initiative (Spojené státy): Národní strategie pro urychlení kvantového výzkumu a vývoje.
• Quantum Technology and Innovation Strategy (Spojené království): Strategie, která má Spojené království postavit do pozice světového lídra v kvantových technologiích.
• Kanadská národní kvantová strategie: Strategický rámec pro podporu kvantových technologií a inovací v Kanadě.
• Australská roadmapa kvantových technologií: Cestovní mapa k etablování Austrálie jako globálního lídra v kvantových technologiích.
• Japonská strategie pro inovace v kvantových technologiích: Komplexní strategie na podporu inovací v kvantových technologiích.

Qiskit hraje v těchto iniciativách klíčovou roli tím, že poskytuje společnou platformu pro výzkumníky, vývojáře a studenty, aby se mohli učit, experimentovat a spolupracovat na kvantovém programování. Jeho open-source povaha a aktivní komunita z něj činí ideální nástroj pro podporu inovací a urychlení vývoje kvantových technologií po celém světě.

Vzdělávací zdroje a zapojení komunity

Pro jednotlivce a organizace, které se zajímají o učení Qiskitu a zapojení do komunity kvantových počítačů, je k dispozici mnoho zdrojů:

• Dokumentace Qiskit: Oficiální dokumentace Qiskit poskytuje komplexní informace o všech aspektech frameworku.
• Tutoriály Qiskit: Sbírka tutoriálů pokrývajících různé koncepty kvantového programování a funkce Qiskit.
• Učebnice Qiskit: Komplexní učebnice o kvantových počítačích a kvantovém programování s Qiskit.
• Qiskit Slack kanál: Komunitní fórum pro kladení otázek, sdílení znalostí a spojení s ostatními uživateli Qiskit.
• Qiskit Global Summer School: Každoroční letní škola nabízející intenzivní školení v oblasti kvantových počítačů a programování v Qiskit.
• Qiskit Advocate Program: Program oceňující a podporující jednotlivce, kteří přispívají do komunity Qiskit.
• IBM Quantum Experience: Cloudová platforma poskytující přístup ke kvantovým počítačům a simulátorům IBM.

Výzvy a budoucí směřování

Přestože kvantové počítače skrývají obrovský příslib, čelí také několika výzvám:

• Hardwarová omezení: Stavba a údržba stabilních a škálovatelných kvantových počítačů je významnou inženýrskou výzvou.
• Kvantová korekce chyb: Vývoj účinných technik kvantové korekce chyb je klíčový pro spolehlivé výpočty.
• Vývoj algoritmů: Objevování nových kvantových algoritmů, které mohou překonat klasické algoritmy pro praktické problémy, je neustálé úsilí.
• Vývoj softwaru: Vytváření robustních a uživatelsky přívětivých nástrojů a prostředí pro kvantové programování je nezbytné pro širší přijetí.
• Nedostatek talentů: Školení a vzdělávání kvalifikované pracovní síly v oblasti kvantových počítačů je klíčové pro budoucnost tohoto oboru.

Navzdory těmto výzvám se oblast kvantových počítačů rychle rozvíjí. Budoucí směřování zahrnuje:

• Vylepšený hardware: Vývoj stabilnějších a škálovatelnějších kvantových počítačů s vyšším počtem qubitů a zlepšenými koherenčními časy.
• Pokročilá korekce chyb: Implementace sofistikovanějších kódů pro kvantovou korekci chyb s cílem snížit dopad šumu.
• Hybridní algoritmy: Kombinace kvantových a klasických algoritmů pro využití silných stránek obou přístupů.
• Kvantové cloudové služby: Rozšiřování přístupu ke zdrojům kvantových počítačů prostřednictvím cloudových platforem.
• Kvantové vzdělávání: Vývoj vzdělávacích programů a zdrojů pro školení nové generace kvantových vědců a inženýrů.

Závěr

Kvantové programování s Qiskit nabízí mocnou bránu do vzrušujícího světa kvantových počítačů. Jeho open-source povaha, rozhraní založené na Pythonu a komplexní sada nástrojů z něj činí ideální platformu pro učení, experimentování a inovace. Jak kvantový hardware neustále dospívá, Qiskit bude hrát stále důležitější roli při odemykání potenciálu kvantových počítačů a transformaci průmyslových odvětví po celém světě.

Ať už jste student, výzkumník, vývojář nebo profesionál v byznysu, nyní je čas prozkoumat možnosti kvantového programování s Qiskit a stát se součástí tohoto revolučního oboru. Globální příležitosti jsou obrovské a budoucnost výpočetní techniky je bezpochyby kvantová.