24. august 2025Eesti

Avastage Qiskit.js abil esirakenduse kvantarvutust. Looge interaktiivseid kvantahelate visualiseerimisi ja rakendusi otse brauseris, muutes kvantprogrammeerimise kättesaadavaks.

Esirakenduse kvantarvutus: Qiskit.js ja kvantahelate visualiseerimine

Kvantarvutus, mis kunagi piirdus spetsialiseeritud laborite ja kõrgjõudlusega arvutuskeskustega, muutub pidevalt kättesaadavamaks. See kättesaadavus laieneb tagarakenduse infrastruktuurist kaugemale esirakendusse, kus arendajad saavad suhelda kvantalgoritmide ja simulatsioonidega otse oma veebilehitsejates. Suur osa sellest on tänu teekidele nagu Qiskit.js, mis toovad kvantprogrammeerimise võimsuse tuttavasse JavaScripti keskkonda.

Mis on Qiskit.js?

Qiskit.js on JavaScripti teek, mis võimaldab arendajatel luua ja käivitada kvantahelaid otse veebilehitsejas. See on kvantarvutuse demokratiseerimisel ülioluline komponent, mis teeb veebiarendajatele, haridustöötajatele ja teadlastele üle maailma lihtsamaks kvantnähtustega katsetamise ja nende visualiseerimise ilma spetsiaalse tarkvara või riistvarata. Selle asemel, et nõuda Pythoni tagarakendust ja keerulisi installiprotseduure, kasutab Qiskit.js WebAssembly't ja WebGL'i, et teostada kvantsimulatsioone tõhusalt kliendi brauseris.

Miks on esirakenduse kvantarvutus oluline

Kvantarvutuse toomine esirakendusse pakub mitmeid olulisi eeliseid:

Kättesaadavus: Alandab sisenemisbarjääri olemasolevate veebiarendusoskustega arendajatele. Selle asemel, et õppida samaaegselt Pythonit ja Qiskitit, saavad arendajad kasutada oma JavaScripti teadmisi.
Visualiseerimine: Võimaldab kvantahelate ja nende arengu interaktiivseid ja dünaamilisi visualiseerimisi. See on keeruliste kvantmõistete mõistmiseks ülioluline.
Haridus: Pakub platvormi interaktiivseks kvantarvutuse hariduseks, võimaldades õpilastel katsetada kvantalgoritmidega visuaalselt kaasahaaraval viisil.
Kiire prototüüpimine: Hõlbustab kvantalgoritmide ja rakenduste kiiremat prototüüpimist, kaotades vajaduse tagarakenduse sõltuvuste järele arenduse algfaasis.
Platvormideülene ühilduvus: Qiskit.js-ga loodud veebirakendused saavad töötada praktiliselt igas seadmes, millel on kaasaegne veebilehitseja, sealhulgas lauaarvutid, sülearvutid, tahvelarvutid ja nutitelefonid, sõltumata operatsioonisüsteemist (Windows, macOS, Linux, Android, iOS).

Qiskit.js-i põhifunktsioonid

Qiskit.js pakub mitmesuguseid funktsioone kvantahelate loomiseks ja visualiseerimiseks:

Ahela ehitamine: Võimaldab teil defineerida kvantahelaid JavaScripti API abil, mis sarnaneb Qiskiti Pythoni liidesega.
Kvantsimulatsioon: Simuleerib kvantahelate käitumist, kasutades brauseris tõhusaid numbrilisi meetodeid.
Visualiseerimine: Pakub tööriistu kvantahelate diagrammide, kubittide olekute ja mõõtmistulemuste visualiseerimiseks.
Integreerimine IBM Quantum Experience'iga: Saab ühenduda IBM Quantumi pilveplatvormiga, mis võimaldab teil käitada ahelaid reaalsel kvantriistvaral (vastavalt saadavusele ja kasutuspiirangutele).
WebAssembly tugi: Kasutab WebAssembly't optimeeritud jõudluse saavutamiseks, võimaldades keerulistel kvantsimulatsioonidel brauseris tõhusalt töötada.

Qiskit.js-iga alustamine: praktiline näide

Vaatame läbi lihtsa näite Belli oleku ahela loomisest ja visualiseerimisest Qiskit.js-i abil. See näide demonstreerib põhilisi samme, mis on seotud kvantahela ehitamise ja selle väljundi visualiseerimisega.

1. Paigaldamine

Lihtsaim viis Qiskit.js-i kasutamiseks on lisada see otse oma HTML-faili sisuedastusvõrgu (CDN) kaudu. Teise võimalusena saate selle installida npm-i (Node Package Manager) või yarni abil.

CDN-i kasutamine:

Lisage järgmine rida oma HTML-faili <head> jaotisesse:

            <script src="https://cdn.jsdelivr.net/npm/qiskit-js@latest/dist/qiskit.min.js"></script>

npm-i kasutamine:

            npm install qiskit-js

yarni kasutamine:

            yarn add qiskit-js

2. Belli oleku ahela loomine

Siin on JavaScripti kood Belli oleku ahela loomiseks, Hadamard'i värava rakendamiseks esimesele kubitile, CNOT-värava rakendamiseks esimese ja teise kubiti vahel ning seejärel mõlema kubiti mõõtmiseks:

            // Looge kvantahel 2 kubiti ja 2 klassikalise bitiga
const circuit = new qiskit.QuantumCircuit(2, 2);

// Rakendage Hadamard'i värav esimesele kubitile
circuit.h(0);

// Rakendage CNOT-värav esimese ja teise kubiti vahele
circuit.cx(0, 1);

// Mõõtke mõlemad kubitid
circuit.measure([0, 1], [0, 1]);

// Printige ahel (valikuline)
console.log(circuit.draw());

3. Ahela simuleerimine

Ahela simuleerimiseks saate kasutada funktsiooni `qiskit.execute` koos simulaatori tagarakendusega. Siin on, kuidas ahelat simuleerida ja tulemusi saada:

            // Importige execute funktsioon ja lokaalne simulaator
const { execute, QuantumCircuit, providers } = qiskit;

async function runCircuit() {
  // Hankige lokaalse simulaatori tagarakendus
  const provider = new providers.BasicProvider();
  const backend = provider.getSimulator('qasm_simulator');

  // Käivitage ahel simulaatoris
  const job = await execute(circuit, backend, { shots: 1024 }).then(job => {
    console.log("Job ID:", job.job_id());
    return job;
  });

  // Hankige simulatsiooni tulemused
  const result = await job.result();

  // Hankige loendused (mõõtmistulemuste histogramm)
  const counts = result.getCounts(circuit);

  console.log("Counts:", counts);
}

runCircuit();

See kood prindib loendused, mis esindavad erinevate tulemuste mõõtmise tõenäosusi. Belli oleku puhul peaksite nägema ligikaudu võrdseid tõenäosusi tulemustele '00' ja '11'.

4. Ahela visualiseerimine

Qiskit.js pakub tööriistu kvantahela visualiseerimiseks. Saate kuvada ahela diagrammi HTML-elemendis, kasutades meetodit `circuit.draw()`. Keerukamate visualiseerimiste jaoks saate integreerida teekidega nagu Cytoscape.js, et luua interaktiivseid võrgustikgraafikuid, mis esindavad ahela struktuuri ja kvantoleku arengut.

            // Hankige ahela joonis SVG-vormingus
const svgString = circuit.draw('svg');

// Lisage SVG HTML-elemendile
const circuitContainer = document.getElementById('circuit-container');
circuitContainer.innerHTML = svgString;

Asendage `'circuit-container'` selle HTML-elemendi ID-ga, kuhu soovite ahela diagrammi kuvada.

Täiustatud visualiseerimistehnikad

Lisaks põhilistele aheladiagrammidele võivad keerukamad visualiseerimistehnikad oluliselt parandada kvantalgoritmide mõistmist. Mõned neist on:

Blochi sfääri visualiseerimine: Ühe kubiti oleku esitamine punktina Blochi sfääril. See on eriti kasulik ühe kubiti väravate ja nende mõju visualiseerimiseks kubiti olekule.
Q-sfääri visualiseerimine: Blochi sfääri üldistus mitme kubitiga süsteemidele. Q-sfäär esitab baasolekute amplituude punktidena sfääril, pakkudes kvantoleku vektori visuaalset esitust.
Olekuvektori visualiseerimine: Kvantoleku vektori esitamine tulpdiagrammina, kus iga tulba kõrgus vastab vastava baasoleku amplituudile.
Tihedusmaatriksi visualiseerimine: Kvantsüsteemi tihedusmaatriksi visualiseerimine soojuskaardi või 3D pinnagraafikuna. See on kasulik segaolekute ja dekoherentsuse mõistmiseks.
Interaktiivsed ahelaredaktorid: Visuaalse liidese pakkumine kvantahelate kujundamiseks ja muutmiseks. Kasutajad saavad lohistada väravaid aheladiagrammile ja ühendada kubitte juhtmetega.

Qiskit.js-i integreerimine teiste veebitehnoloogiatega

Qiskit.js-i saab sujuvalt integreerida teiste veebitehnoloogiatega, et luua keerukamaid kvantarvutusrakendusi. Siin on mõned näited:

React: Kasutage Reacti, et luua interaktiivseid kasutajaliideseid kvantarvutusrakendustele. Reacti komponendipõhine arhitektuur teeb kvantahelate ja andmete visualiseerimiseks korduvkasutatavate komponentide loomise lihtsaks.
Vue.js: Sarnaselt Reactile pakub Vue.js paindlikku ja intuitiivset raamistikku kasutajaliideste loomiseks. Vue.js sobib eriti hästi üheleheküljelistele rakendustele (SPA), mis nõuavad keerulist andmesidumist ja reaktiivsust.
D3.js: Kasutage D3.js-i kohandatud andmevisualiseerimiste loomiseks kvantarvutusrakendustele. D3.js võimaldab teil luua väga interaktiivseid ja dünaamilisi visualiseerimisi, mida saab kohandada vastavalt konkreetsetele vajadustele.
Three.js: Kasutage Three.js-i 3D-visualiseerimiste loomiseks kvantnähtustest, nagu Blochi sfäärid ja Q-sfäärid. Three.js pakub võimsat ja mitmekülgset platvormi kaasahaaravate ja köitvate kvantarvutuskogemuste loomiseks.
Web Workers: Suunake arvutusmahukad kvantsimulatsioonid Web Workeritesse, et vältida brauseri põhilõime blokeerimist. See parandab teie rakenduse reageerimisvõimet ja kasutajakogemust.

Esirakenduse kvantarvutuse reaalsed rakendused

Kuigi esirakenduse kvantarvutus on alles algusjärgus, on sellel potentsiaali revolutsioneerida mitmeid valdkondi:

Haridus: Interaktiivsete kvantarvutuse õpetuste ja simulatsioonide loomine igal tasemel õpilastele. Näiteks võiks Singapuri ülikool kasutada Qiskit.js-i, et luua oma tudengitele veebipõhine kvantarvutuslabor.
Teadusuuringud: Tööriistade arendamine kvantalgoritmide visualiseerimiseks ja analüüsimiseks, aidates kaasa uute kvantalgoritmide ja rakenduste avastamisele. Teadlased Saksamaal saavad kasutada Qiskit.js-i materjaliteaduse simulatsioonide jaoks kvantalgoritmide prototüüpimiseks.
Ravimiarendus: Molekulaarsete interaktsioonide ja ravimikandidaatide simuleerimine, kasutades esirakenduses visualiseeritud kvantsimulatsioone. Farmaatsiaettevõtted Šveitsis saaksid kasutada esirakenduse kvantarvutust kiiremaks ravimiarenduseks.
Finantsmodelleerimine: Kvantalgoritmide arendamine finantsmodelleerimiseks ja riskijuhtimiseks, mida visualiseeritakse interaktiivsete armatuurlaudade kaudu. Finantsasutused Londonis või New Yorgis saavad uurida kvantalgoritme portfelli optimeerimiseks ja pettuste avastamiseks.
Kvantkunst: Ainulaadse ja visuaalselt vapustava kunsti loomine, mis põhineb kvantnähtustel, võimaldades kunstnikel uurida kvantarvutuse loomingulisi võimalusi. Kunstnikud üle maailma saavad kasutada Qiskit.js-i interaktiivsete kvantkunstinstallatsioonide loomiseks.

Väljakutsed ja tulevikusuunad

Esirakenduse kvantarvutus pole väljakutseteta:

Jõudluspiirangud: Brauseripõhised simulatsioonid on oma olemuselt piiratud kliendi masina arvutusressurssidega. Keerulised kvantalgoritmid võivad nõuda märkimisväärset töötlemisvõimsust ja mälu.
Skaleeritavus: Suurte, paljude kubittidega kvantsüsteemide simuleerimine võib olla arvutusmahukas. Esirakenduse simulatsioonid võivad piirduda suhteliselt väikeste ahelatega.
Turvalisus: Tundlike andmete ja intellektuaalomandi kaitsmine kvantsimulatsioonide käitamisel brauseris. Turvalised kodeerimistavad ja krüpteerimistehnikad on hädavajalikud.
Piiratud juurdepääs riistvarale: Esirakenduse kvantarvutus tugineb peamiselt simulatsioonile. Juurdepääs reaalsele kvantriistvarale on sageli piiratud ja nõuab ühendumist pilvepõhiste kvantarvutusplatvormidega.

Nendele väljakutsetele vaatamata on esirakenduse kvantarvutuse tulevik helge. Pidevad edusammud WebAssembly's, WebGL'is ja kvantsimulatsioonialgoritmides parandavad jätkuvalt brauseripõhiste kvantsimulatsioonide jõudlust ja skaleeritavust. Lisaks võimaldab pilveplatvormide kaudu suurenenud juurdepääs kvantriistvarale arendajatel sujuvalt üle minna simulatsioonilt reaalsele teostusele.

Tulevikusuunad hõlmavad:

Täiustatud simulatsioonialgoritmid: Tõhusamate algoritmide arendamine kvantahelate simuleerimiseks brauseris.
Integreerimine kvantriistvara API-dega: Esirakenduste sujuv ühendamine pilvepõhiste kvantarvutusplatvormidega.
Täiustatud visualiseerimisvahendid: Keerukamate ja interaktiivsemate kvantnähtuste visualiseerimiste loomine.
Kvantmasinõpe esirakenduses: Kvantmasinõppe algoritmide rakendamine otse brauseris.
Juurdepääsetavus nägemispuudega arendajatele: Tööriistade ja tehnikate arendamine, et muuta kvantarvutus puuetega arendajatele kättesaadavaks. See hõlmab alternatiivsete tekstikirjelduste pakkumist aheladiagrammidele ja ekraanilugerite kasutamist kvantarvutusrakendustes navigeerimiseks.

Kokkuvõte

Qiskit.js annab arendajatele üle maailma võimaluse avastada põnevat kvantarvutuse maailma otse oma veebilehitsejates. Arendusprotsessi lihtsustamise ja võimsate visualiseerimisvahendite pakkumisega demokratiseerib Qiskit.js kvantprogrammeerimist ja kasvatab uue põlvkonna kvantarvutuse eksperte. Kvantarvutustehnoloogia arenedes mängib esirakenduse kvantarvutus üha olulisemat rolli hariduses, teadusuuringutes ja rakenduste arendamises, edendades innovatsiooni erinevates tööstusharudes globaalses mastaabis. Olenemata sellest, kas olete kogenud veebiarendaja või kvantarvutuse entusiast, pakub Qiskit.js köitvat platvormi õppimiseks, katsetamiseks ja kvantrevolutsiooni panustamiseks.

Alustage esirakenduse kvantarvutuse võimaluste avastamist juba täna ja avage selle muutva tehnoloogia potentsiaal. Põhjaliku teabe ja õpetuste saamiseks uurige kindlasti Qiskit.js-i dokumentatsiooni.