Kvantprogrammeerimine Qiskitiga: globaalne sissejuhatus

Kvantarvutus, mis kunagi oli teoreetiline kontseptsioon, on kiiresti muutumas käegakatsutavaks reaalsuseks. See arenev valdkond lubab revolutsiooniliselt muuta tööstusharusid meditsiinist ja materjaliteadusest rahanduse ja tehisintellektini. Riistvara küpsedes nihkub fookus tarkvaraarendusele ning Qiskit, IBM-i avatud lähtekoodiga kvantprogrammeerimise SDK, on selle revolutsiooni esirinnas.

Mis on kvantarvutus?

Erinevalt klassikalistest arvutitest, mis salvestavad informatsiooni bittidena, mis esindavad 0 või 1, kasutavad kvantarvutid kvantbitte ehk kubitte. Kubitid võivad eksisteerida olekute superpositsioonis, mis tähendab, et nad võivad esindada 0, 1 või mõlema kombinatsiooni samaaegselt. Lisaks kasutavad kvantarvutid selliseid nähtusi nagu põimumine ja kvantinterferents, et sooritada arvutusi põhimõtteliselt erineval viisil kui klassikalised arvutid. See võimaldab neil potentsiaalselt lahendada teatud probleeme, mis on isegi kõige võimsamate superarvutite jaoks lahendamatud.

Olulised mõisted, mida mõista, on järgmised:

• Superpositsioon: Kubitt, mis eksisteerib samaaegselt mitmes olekus.
• Põimumine: Kaks või enam kubitti on omavahel seotud nii, et ühe olek mõjutab hetkega teiste olekut, sõltumata neid eraldavast vahemaast.
• Kvantinterferents: Erinevate arvutusteede tõenäosuste manipuleerimine, et võimendada õige vastuse saamise tõenäosust.

Tutvustame Qiskiti: Teie värav kvantprogrammeerimisse

Qiskit (Quantum Information Science Kit) on IBM-i arendatud avatud lähtekoodiga raamistik, mis pakub tööriistu kvantprogrammeerimiseks, simulatsiooniks ja eksperimentide läbiviimiseks. Pythonil põhinev Qiskit pakub kasutajasõbralikku liidest kvantahelate kujundamiseks ja käivitamiseks reaalsetel kvantriistvaral või simulaatoritel. Selle modulaarne disain võimaldab kasutajatel keskenduda kvantarvutuse spetsiifilistele aspektidele, alates ahelate disainist kuni algoritmide arendamiseni.

Qiskiti peamised omadused:

• Avatud lähtekood: Qiskit on vabalt kättesaadav ja julgustab kogukonna panust, soodustades innovatsiooni ja koostööd.
• Põhineb Pythonil: Kasutades Pythoni populaarsust ja ulatuslikke teeke, pakub Qiskit arendajatele tuttavat keskkonda.
• Modulaarne arhitektuur: Qiskit on organiseeritud mooduliteks, millest igaüks tegeleb kvantarvutuse spetsiifiliste aspektidega:
• Qiskit Terra: Qiskiti alus, mis pakub põhilisi ehitusplokke kvantahelate ja algoritmide jaoks.
• Qiskit Aer: Kõrge jõudlusega kvantahelate simulaator, mis võimaldab kasutajatel oma kvantprogramme testida ja siluda.
• Qiskit Ignis: Tööriistad müra iseloomustamiseks ja leevendamiseks kvantseadmetes.
• Qiskit Aqua: Kvantalgoritmide teek mitmesuguste rakenduste jaoks, sealhulgas keemia, optimeerimise ja masinõppe jaoks.
• Juurdepääs riistvarale: Qiskit võimaldab kasutajatel käivitada oma programme IBM-i kvantarvutites pilve kaudu, pakkudes juurdepääsu tipptasemel kvantriistvarale.
• Kogukonna tugi: Elav ja aktiivne teadlaste, arendajate ja entusiastide kogukond pakub tuge, ressursse ja haridusmaterjale.

Alustamine Qiskitiga: praktiline näide

Vaatame läbi lihtsa näite Belli oleku loomisest Qiskiti abil. See näide demonstreerib kvantahela loomist, kvantväravate rakendamist ja ahela simuleerimist tulemuste jälgimiseks.

Eeltingimused:

• Python 3.6 või uuem
• Qiskit paigaldatud (kasutades pip install qiskit)

Koodinäide:

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)

Selgitus:

1. Impordime vajalikud moodulid Qiskitist.
2. Loome QuantumCircuit'i kahe kubiti ja kahe klassikalise bitiga. Klassikalisi bitte kasutatakse mõõtmistulemuste salvestamiseks.
3. Rakendame esimesele kubitile Hadamardi värava (h), viies selle 0 ja 1 superpositsiooni.
4. Rakendame CNOT-värava (cx), kus esimene kubitt on kontrolliv ja teine sihtmärk, põimides need kaks kubitti.
5. Mõõdame mõlemad kubitid ja salvestame tulemused klassikalistesse bittidesse.
6. Kasutame Qiskit Aer'i qasm_simulator'it ahela simuleerimiseks.
7. Kompileerime ja käivitame ahela, määrates simulatsiooni jaoks 'laskude' (korduste) arvu.
8. Hangime tulemused ja prindime loendused, mis näitavad, mitu korda iga võimalik tulemus (00, 01, 10, 11) esines.
9. Funktsiooni plot_histogram (kommenteeritud) saab kasutada tulemuste visualiseerimiseks histogrammina.

See lihtne näide demonstreerib kvantprogrammeerimise põhilisi samme Qiskitiga: ahela loomine, väravate rakendamine, kubittide mõõtmine ja ahela simuleerimine. Peaksite nägema, et väljundeid "00" ja "11" täheldatakse umbes 50% juhtudest, samas kui "01" ja "10" ei esine peaaegu kunagi, mis illustreerib kahe kubiti põimumist.

Qiskiti edasijõudnute kontseptsioonid

Lisaks põhitõdedele pakub Qiskit rikkalikult edasijõudnud funktsioone keerukamate kvantprobleemide lahendamiseks. Nende hulka kuuluvad:

Kvantalgoritmid

Qiskit Aqua pakub teeki eelnevalt loodud kvantalgoritmidest, näiteks:

• Variatsiooniline kvant-omaväärtuse lahendaja (VQE): Kasutatakse molekulide põhioleku energia leidmiseks, rakendustega keemias ja materjaliteaduses. Näiteks võivad Saksamaa teadlased kasutada VQE-d uute katalüsaatorite disaini optimeerimiseks.
• Kvant-lähenduslik optimeerimisalgoritm (QAOA): Kasutatakse kombinatoorsete optimeerimisprobleemide lahendamiseks, nagu näiteks rändkaupmehe probleem. Logistikaettevõte Singapuris võiks potentsiaalselt kasutada QAOA-d tarneteede optimeerimiseks.
• Groveri algoritm: Kvantotsingu algoritm, mis võib pakkuda ruutkiirendust võrreldes klassikaliste otsingualgoritmidega. Andmebaasiettevõte Ameerika Ühendriikides võiks kasutada Groveri algoritmi andmete hankimise kiirendamiseks.
• Kvant-Fourier' teisendus (QFT): Fundamentaalne algoritm, mida kasutatakse paljudes kvantalgoritmides, sealhulgas Shori algoritmis suurte arvude faktoriseerimiseks.

Kvantvigade parandus

Kvantarvutid on oma olemuselt mürarikkad, mis teeb kvantvigade paranduse usaldusväärse arvutamise jaoks ülioluliseks. Qiskit Ignis pakub tööriistu müra iseloomustamiseks ja leevendamiseks ning veaparanduskoodide rakendamiseks. Teadlased ülikoolides üle maailma (nt Waterloo Ülikool Kanadas, Delfti Tehnoloogiaülikool Hollandis) töötavad aktiivselt uute kvantvigade parandamise tehnikate arendamise ja rakendamise kallal, kasutades Qiskiti.

Kvantsimulatsioon

Qiskiti saab kasutada kvantsüsteemide simuleerimiseks, mis võimaldab teadlastel uurida molekulide, materjalide ja muude kvantnähtuste käitumist. Sellel on rakendusi ravimiarenduses, materjalide disainis ja fundamentaalses teadusuuringus. Näiteks kasutavad Jaapani teadlased Qiskiti uudsete ülijuhtivate materjalide käitumise simuleerimiseks.

Kvantmasinõpe

Kvantmasinõpe uurib kvantarvutite potentsiaali masinõppe algoritmide täiustamisel. Qiskit pakub tööriistu kvantmasinõppe mudelite loomiseks ja treenimiseks, mis võiksid teatud ülesannetes potentsiaalselt ületada klassikalisi masinõppe algoritme. Näiteks uurivad Šveitsi pangad kvantmasinõppe kasutamist pettuste avastamiseks.

Kvantprogrammeerimise reaalmaailma rakendused Qiskitiga

Kvantprogrammeerimise rakendused Qiskitiga on laiaulatuslikud ja hõlmavad paljusid tööstusharusid. Siin on mõned näited:

• Ravimiarendus: Molekulaarsete interaktsioonide simuleerimine uute ravimite ja teraapiate avastamise kiirendamiseks. Farmaatsiaettevõtted üle kogu maailma (nt Roche Šveitsis, Pfizer USAs) uurivad kvantsimulatsioone paremate ravimikandidaatide väljatöötamiseks.
• Materjaliteadus: Uute materjalide disainimine spetsiifiliste omadustega, nagu ülijuhid või kõrge jõudlusega polümeerid. Lõuna-Korea teadlased kasutavad kvantsimulatsioone uute akumaterjalide arendamiseks.
• Rahandus: Investeerimisportfellide optimeerimine, pettuste avastamine ja uute finantsmudelite arendamine. Suurbritannia finantsasutused uurivad kvantalgoritme riskijuhtimiseks.
• Logistika: Tarneteede ja tarneahela juhtimise optimeerimine. Ettevõtted nagu DHL ja FedEx uurivad kvantarvutuse potentsiaali oma tegevuse tõhustamiseks.
• Tehisintellekt: Võimsamate masinõppe algoritmide arendamine. Google ja Microsoft uurivad aktiivselt kvantmasinõpet.

Globaalsed kvantalgatused ja Qiskiti roll

Kvantarvutus on globaalne ettevõtmine, kus paljudes riikides on käimas märkimisväärsed investeeringud ja teadusalgatused. Need algatused soodustavad koostööd, edendavad innovatsiooni ja kiirendavad kvanttehnoloogiate arengut.

Globaalsete kvantalgatuste näited on järgmised:

• Quantum Flagship (Euroopa Liit): 1 miljardi euro suurune algatus kvantuuringute ja -arenduse toetamiseks kogu Euroopas.
• National Quantum Initiative (Ameerika Ühendriigid): Riiklik strateegia kvantuuringute ja -arenduse kiirendamiseks.
• Quantum Technology and Innovation Strategy (Suurbritannia): Strateegia Suurbritannia positsioneerimiseks maailma juhtivaks riigiks kvanttehnoloogiate vallas.
• Kanada riiklik kvantstrateegia: Strateegiline raamistik kvanttehnoloogiate ja -innovatsiooni edendamiseks Kanadas.
• Austraalia kvanttehnoloogiate teekaart: Teekaart Austraalia kehtestamiseks globaalse liidrina kvanttehnoloogiate vallas.
• Jaapani kvanttehnoloogia innovatsioonistrateegia: Põhjalik strateegia kvanttehnoloogia innovatsiooni edendamiseks.

Qiskit mängib nendes algatustes otsustavat rolli, pakkudes ühist platvormi teadlastele, arendajatele ja üliõpilastele kvantprogrammeerimise õppimiseks, katsetamiseks ja koostöö tegemiseks. Selle avatud lähtekoodiga olemus ja aktiivne kogukond muudavad selle ideaalseks vahendiks innovatsiooni soodustamiseks ja kvanttehnoloogiate arengu kiirendamiseks kogu maailmas.

Õppematerjalid ja kogukonnaga suhtlemine

Huvilistele ja organisatsioonidele, kes soovivad õppida Qiskiti ja suhelda kvantarvutuse kogukonnaga, on saadaval arvukalt ressursse:

• Qiskiti dokumentatsioon: Ametlik Qiskiti dokumentatsioon pakub põhjalikku teavet kõigi raamistiku aspektide kohta.
• Qiskiti õpetused: Õpetuste kogumik, mis käsitleb erinevaid kvantprogrammeerimise kontseptsioone ja Qiskiti funktsioone.
• Qiskiti õpik: Põhjalik õpik kvantarvutusest ja kvantprogrammeerimisest Qiskitiga.
• Qiskiti Slacki kanal: Kogukonna foorum küsimuste esitamiseks, teadmiste jagamiseks ja teiste Qiskiti kasutajatega ühenduse loomiseks.
• Qiskit Global Summer School: Iga-aastane suvekool, mis pakub intensiivset koolitust kvantarvutuse ja Qiskiti programmeerimise alal.
• Qiskit Advocate programm: Programm, mis tunnustab ja toetab isikuid, kes panustavad Qiskiti kogukonda.
• IBM Quantum Experience: Pilvepõhine platvorm, mis pakub juurdepääsu IBM-i kvantarvutitele ja simulaatoritele.

Väljakutsed ja tulevikusuunad

Kuigi kvantarvutus pakub tohutut potentsiaali, seisab see silmitsi ka mitmete väljakutsetega:

• Riistvaralised piirangud: Stabiilsete ja skaleeritavate kvantarvutite ehitamine ja hooldamine on märkimisväärne insenertehniline väljakutse.
• Kvantvigade parandus: Tõhusate kvantvigade parandamise tehnikate arendamine on usaldusväärse arvutamise jaoks ülioluline.
• Algoritmide arendamine: Uute kvantalgoritmide avastamine, mis suudavad praktiliste probleemide lahendamisel klassikalisi algoritme ületada, on pidev jõupingutus.
• Tarkvaraarendus: Tugevate ja kasutajasõbralike kvantprogrammeerimise tööriistade ja keskkondade loomine on laialdasemaks kasutuselevõtuks hädavajalik.
• Talentide puudus: Kvalifitseeritud tööjõu koolitamine ja harimine kvantarvutuse valdkonnas on valdkonna tuleviku jaoks ülioluline.

Nendest väljakutsetest hoolimata areneb kvantarvutuse valdkond kiiresti. Tulevikusuunad hõlmavad:

• Täiustatud riistvara: Stabiilsemate ja skaleeritavamate kvantarvutite arendamine suurema kubittide arvu ja paremate koherentsusaegadega.
• Täiustatud veaparandus: Keerukamate kvantvigade parandamise koodide rakendamine müra mõju vähendamiseks.
• Hübriidalgoritmid: Kvant- ja klassikaliste algoritmide kombineerimine, et kasutada ära mõlema lähenemisviisi tugevusi.
• Kvantpilveteenused: Juurdepääsu laiendamine kvantarvutusressurssidele pilvepõhiste platvormide kaudu.
• Kvantharidus: Haridusprogrammide ja ressursside arendamine järgmise põlvkonna kvantteadlaste ja -inseneride koolitamiseks.

Kokkuvõte

Kvantprogrammeerimine Qiskitiga pakub võimsat väravat kvantarvutuse põnevasse maailma. Selle avatud lähtekoodiga olemus, Pythonil põhinev liides ja põhjalik tööriistade komplekt muudavad selle ideaalseks platvormiks õppimiseks, katsetamiseks ja innovatsiooniks. Kuna kvantriistvara küpseb edasi, mängib Qiskit järjest olulisemat rolli kvantarvutuse potentsiaali avamisel ja tööstusharude ümberkujundamisel kogu maailmas.

Olgu te üliõpilane, teadlane, arendaja või äriprofessionaal, nüüd on aeg uurida kvantprogrammeerimise võimalusi Qiskitiga ja saada osaks sellest revolutsioonilisest valdkonnast. Globaalsed võimalused on tohutud ja arvutustehnika tulevik on kahtlemata kvant.