Kvantinis programavimas su Qiskit: globali įžanga

Kvantinė kompiuterija, kadaise buvusi teorine koncepcija, sparčiai virsta apčiuopiama realybe. Ši besiformuojanti sritis žada sukelti revoliuciją pramonės šakose – nuo medicinos ir medžiagų mokslo iki finansų ir dirbtinio intelekto. Techninei įrangai bręstant, dėmesys krypsta į programinės įrangos kūrimą, o „Qiskit“, IBM atvirojo kodo kvantinio programavimo SDK, yra šios revoliucijos priešakyje.

Kas yra kvantinė kompiuterija?

Skirtingai nuo klasikinių kompiuterių, kurie informaciją saugo bitais, žyminčiais 0 arba 1, kvantiniai kompiuteriai naudoja kvantinius bitus, arba kubitus. Kubitai gali egzistuoti būsenų superpozicijoje, o tai reiškia, kad jie vienu metu gali reprezentuoti 0, 1 arba abiejų derinį. Be to, kvantiniai kompiuteriai naudoja tokius reiškinius kaip susietumas ir kvantinė interferencija, kad atliktų skaičiavimus iš esmės kitaip nei klasikiniai kompiuteriai. Tai leidžia jiems potencialiai išspręsti tam tikras problemas, kurios yra neįveikiamos net galingiausiems superkompiuteriams.

Pagrindinės sąvokos, kurias reikia suprasti:

• Superpozicija: Kubitas, egzistuojantis keliose būsenose vienu metu.
• Susietumas: Du ar daugiau kubitų, susietų taip, kad vieno būsena akimirksniu paveikia kitų būseną, nepriklausomai nuo juos skiriančio atstumo.
• Kvantinė interferencija: Skirtingų skaičiavimo kelių tikimybių manipuliavimas, siekiant padidinti tikimybę gauti teisingą atsakymą.

Pristatome Qiskit: jūsų vartai į kvantinį programavimą

Qiskit (angl. Quantum Information Science Kit) – tai IBM sukurta atvirojo kodo sistema, teikianti įrankius kvantiniam programavimui, modeliavimui ir eksperimentų vykdymui. Sukurta „Python“ pagrindu, „Qiskit“ siūlo patogią sąsają kvantinių grandinių kūrimui ir vykdymui tikroje kvantinėje aparatinėje įrangoje arba simuliatoriuose. Jos modulinė struktūra leidžia vartotojams sutelkti dėmesį į konkrečius kvantinės kompiuterijos aspektus, nuo grandinių projektavimo iki algoritmų kūrimo.

Pagrindinės Qiskit savybės:

• Atvirasis kodas: „Qiskit“ yra laisvai prieinama ir skatina bendruomenės indėlį, taip puoselėdama inovacijas ir bendradarbiavimą.
• Pagrįsta „Python“: Naudodamasi „Python“ populiarumu ir plačiomis bibliotekomis, „Qiskit“ suteikia programuotojams pažįstamą aplinką.
• Modulinė architektūra: „Qiskit“ yra suskirstyta į modulius, kurių kiekvienas skirtas specifiniams kvantinės kompiuterijos aspektams:
• Qiskit Terra: „Qiskit“ pagrindas, teikiantis esminius elementus kvantinėms grandinėms ir algoritmams.
• Qiskit Aer: Didelio našumo kvantinių grandinių simuliatorius, leidžiantis vartotojams testuoti ir derinti savo kvantines programas.
• Qiskit Ignis: Įrankiai, skirti kvantinių prietaisų triukšmui apibūdinti ir mažinti.
• Qiskit Aqua: Kvantinių algoritmų biblioteka įvairioms taikymo sritims, įskaitant chemiją, optimizavimą ir mašininį mokymąsi.
• Prieiga prie aparatinės įrangos: „Qiskit“ leidžia vartotojams paleisti savo programas IBM kvantiniuose kompiuteriuose per debesiją, suteikiant prieigą prie pažangiausios kvantinės aparatinės įrangos.
• Bendruomenės palaikymas: Aktyvi ir gyvybinga mokslininkų, programuotojų ir entuziastų bendruomenė teikia pagalbą, išteklius ir mokomąją medžiagą.

Darbo su Qiskit pradžia: praktinis pavyzdys

Panagrinėkime paprastą Bello būsenos sukūrimo pavyzdį naudojant „Qiskit“. Šis pavyzdys demonstruoja kvantinės grandinės kūrimą, kvantinių vartų taikymą ir grandinės modeliavimą, siekiant stebėti rezultatus.

Būtinosios sąlygos:

• Python 3.6 arba naujesnė versija
• Įdiegtas Qiskit (naudojant pip install qiskit)

Kodo pavyzdys:

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

# Sukurti kvantinę grandinę su 2 kubitais ir 2 klasikiniais bitais
circuit = QuantumCircuit(2, 2)

# Pridėti Hadamardo vartus prie pirmojo kubito
circuit.h(0)

# Taikyti CNOT (CX) vartus, susiejant abu kubitus
circuit.cx(0, 1)

# Išmatuoti kubitus
circuit.measure([0, 1], [0, 1])

# Naudoti Aer qasm_simulator
simulator = Aer.get_backend('qasm_simulator')

# Kompiliuoti grandinę simuliatoriui
compiled_circuit = transpile(circuit, simulator)

# Vykdyti grandinę simuliatoriuje
job = execute(compiled_circuit, simulator, shots=1000)

# Gauti vykdymo rezultatus
result = job.result()

# Gauti skaičiavimus, kiek kartų pasirodė kiekvienas rezultatas
counts = result.get_counts(compiled_circuit)
print("\nBendras skaičius:", counts)

# Vizualizuoti rezultatus naudojant histogramą
# plot_histogram(counts)

Paaiškinimas:

1. Importuojame reikiamus modulius iš „Qiskit“.
2. Sukuriame QuantumCircuit su dviem kubitais ir dviem klasikiniais bitais. Klasikiniai bitai naudojami matavimo rezultatams saugoti.
3. Pirmajam kubitui pritaikome Hadamardo vartus (h), perkeldami jį į 0 ir 1 superpoziciją.
4. Pritaikome CNOT vartus (cx), kur pirmasis kubitas yra kontrolinis, o antrasis – taikinys, taip susiedami abu kubitus.
5. Išmatuojame abu kubitus ir išsaugome rezultatus klasikiniuose bituose.
6. Grandinės modeliavimui naudojame qasm_simulator iš „Qiskit Aer“.
7. Kompiliuojame ir vykdome grandinę, nurodydami „šūvių“ (pakartojimų) skaičių modeliavimui.
8. Gauname rezultatus ir išspausdiname skaičiavimus, rodančius, kiek kartų pasitaikė kiekvienas galimas rezultatas (00, 01, 10, 11).
9. Funkcija plot_histogram (užkomentuota) gali būti naudojama rezultatams vizualizuoti kaip histogramą.

Šis paprastas pavyzdys parodo pagrindinius kvantinio programavimo su „Qiskit“ veiksmus: grandinės kūrimą, vartų taikymą, kubitų matavimą ir grandinės modeliavimą. Turėtumėte pamatyti, kad rezultatai „00“ ir „11“ stebimi maždaug po 50 % kartų, o „01“ ir „10“ beveik niekada nestebimi, kas iliustruoja dviejų kubitų susietumą.

Pažangios Qiskit koncepcijos

Be pagrindų, „Qiskit“ siūlo daugybę pažangių funkcijų, skirtų spręsti sudėtingesnes kvantines problemas. Tai apima:

Kvantiniai algoritmai

„Qiskit Aqua“ teikia paruoštų kvantinių algoritmų biblioteką, pavyzdžiui:

• Variacinis kvantinis tikrinių verčių sprendiklis (VQE): Naudojamas molekulių pagrindinės būsenos energijai rasti, taikomas chemijoje ir medžiagų moksle. Pavyzdžiui, mokslininkai Vokietijoje galėtų naudoti VQE naujų katalizatorių projektavimui optimizuoti.
• Kvantinis apytikslis optimizavimo algoritmas (QAOA): Naudojamas kombinatorinio optimizavimo problemoms, tokioms kaip keliaujančio pirklio problema, spręsti. Logistikos įmonė Singapūre galėtų potencialiai naudoti QAOA pristatymo maršrutams optimizuoti.
• Groverio algoritmas: Kvantinės paieškos algoritmas, galintis suteikti kvadratinį pagreitį, palyginti su klasikiniais paieškos algoritmais. Duomenų bazių įmonė Jungtinėse Amerikos Valstijose galėtų naudoti Groverio algoritmą duomenų paieškai paspartinti.
• Kvantinė Furjė transformacija (QFT): Fundamentalus algoritmas, naudojamas daugelyje kvantinių algoritmų, įskaitant Shoro algoritmą dideliems skaičiams skaidyti.

Kvantinių klaidų taisymas

Kvantiniai kompiuteriai yra iš prigimties triukšmingi, todėl kvantinių klaidų taisymas yra labai svarbus patikimiems skaičiavimams. „Qiskit Ignis“ teikia įrankius triukšmui apibūdinti ir mažinti, taip pat klaidų taisymo kodams įgyvendinti. Mokslininkai universitetuose visame pasaulyje (pvz., Vaterlo universitete Kanadoje, Delfto technologijos universitete Nyderlanduose) aktyviai dirba kurdami ir diegdami naujus kvantinių klaidų taisymo metodus naudodami „Qiskit“.

Kvantinis modeliavimas

„Qiskit“ gali būti naudojamas kvantinėms sistemoms modeliuoti, leidžiant mokslininkams tirti molekulių, medžiagų ir kitų kvantinių reiškinių elgseną. Tai taikoma vaistų atradime, medžiagų projektavime ir fundamentiniuose moksliniuose tyrimuose. Pavyzdžiui, mokslininkai Japonijoje naudoja „Qiskit“ naujų superlaidžių medžiagų elgsenai modeliuoti.

Kvantinis mašininis mokymasis

Kvantinis mašininis mokymasis tiria kvantinių kompiuterių potencialą tobulinti mašininio mokymosi algoritmus. „Qiskit“ siūlo įrankius kurti ir apmokyti kvantinio mašininio mokymosi modelius, kurie tam tikrose užduotyse galėtų potencialiai pranokti klasikinius mašininio mokymosi algoritmus. Pavyzdžiui, bankai Šveicarijoje tiria kvantinio mašininio mokymosi naudojimą sukčiavimo aptikimui.

Kvantinio programavimo su Qiskit taikymai realiame pasaulyje

Kvantinio programavimo su „Qiskit“ taikymo sritys yra plačios ir apima daugybę pramonės šakų. Štai keletas pavyzdžių:

• Vaistų atradimas: Molekulinių sąveikų modeliavimas, siekiant pagreitinti naujų vaistų ir terapijų atradimą. Farmacijos įmonės visame pasaulyje (pvz., „Roche“ Šveicarijoje, „Pfizer“ JAV) tiria kvantinius modeliavimus, siekdamos sukurti geresnius vaistų kandidatus.
• Medžiagų mokslas: Naujų medžiagų su specifinėmis savybėmis, tokiomis kaip superlaidininkai ar aukštos kokybės polimerai, projektavimas. Mokslininkai Pietų Korėjoje naudoja kvantinius modeliavimus naujoms baterijų medžiagoms kurti.
• Finansai: Investicinių portfelių optimizavimas, sukčiavimo aptikimas ir naujų finansinių modelių kūrimas. Finansų institucijos Jungtinėje Karalystėje tiria kvantinius algoritmus rizikos valdymui.
• Logistika: Pristatymo maršrutų ir tiekimo grandinės valdymo optimizavimas. Tokios įmonės kaip DHL ir „FedEx“ tiria kvantinės kompiuterijos potencialą savo operacijoms supaprastinti.
• Dirbtinis intelektas: Galingesnių mašininio mokymosi algoritmų kūrimas. „Google“ ir „Microsoft“ aktyviai tiria kvantinį mašininį mokymąsi.

Globalios kvantinės iniciatyvos ir Qiskit vaidmuo

Kvantinė kompiuterija yra pasaulinė pastanga, su didelėmis investicijomis ir tyrimų iniciatyvomis, vykdomomis daugelyje šalių. Šios iniciatyvos skatina bendradarbiavimą, inovacijas ir spartina kvantinių technologijų plėtrą.

Globalių kvantinių iniciatyvų pavyzdžiai:

• „The Quantum Flagship“ (Europos Sąjunga): 1 mlrd. eurų iniciatyva, skirta kvantiniams tyrimams ir plėtrai visoje Europoje remti.
• Nacionalinė kvantinė iniciatyva (Jungtinės Amerikos Valstijos): Nacionalinė strategija, skirta kvantiniams tyrimams ir plėtrai paspartinti.
• Kvantinių technologijų ir inovacijų strategija (Jungtinė Karalystė): Strategija, kuria siekiama, kad JK taptų pasauline lydere kvantinių technologijų srityje.
• Kanados nacionalinė kvantinė strategija: Strateginis planas, skirtas kvantinėms technologijoms ir inovacijoms Kanadoje puoselėti.
• Australijos kvantinių technologijų planas: Planas, skirtas Australijai tapti pasauline lydere kvantinių technologijų srityje.
• Japonijos kvantinių technologijų inovacijų strategija: Išsami strategija, skirta kvantinių technologijų inovacijoms skatinti.

„Qiskit“ atlieka lemiamą vaidmenį šiose iniciatyvose, suteikdama bendrą platformą mokslininkams, programuotojams ir studentams mokytis, eksperimentuoti ir bendradarbiauti kvantinio programavimo srityje. Dėl savo atvirojo kodo pobūdžio ir aktyvios bendruomenės ji yra idealus įrankis inovacijoms puoselėti ir kvantinių technologijų plėtrai visame pasaulyje spartinti.

Mokymosi ištekliai ir bendruomenės įsitraukimas

Asmenims ir organizacijoms, besidominčioms „Qiskit“ mokymusi ir įsitraukimu į kvantinės kompiuterijos bendruomenę, yra prieinama daugybė išteklių:

• „Qiskit“ dokumentacija: Oficialioje „Qiskit“ dokumentacijoje pateikiama išsami informacija apie visus sistemos aspektus.
• „Qiskit“ pamokos: Pamokų rinkinys, apimantis įvairias kvantinio programavimo koncepcijas ir „Qiskit“ funkcijas.
• „Qiskit“ vadovėlis: Išsamus vadovėlis apie kvantinę kompiuteriją ir kvantinį programavimą su „Qiskit“.
• „Qiskit Slack“ kanalas: Bendruomenės forumas, skirtas klausimams užduoti, žiniomis dalytis ir bendrauti su kitais „Qiskit“ vartotojais.
• „Qiskit“ pasaulinė vasaros mokykla: Kasmetinė vasaros mokykla, siūlanti intensyvius mokymus apie kvantinę kompiuteriją ir programavimą su „Qiskit“.
• „Qiskit Advocate“ programa: Programa, pripažįstanti ir remianti asmenis, kurie prisideda prie „Qiskit“ bendruomenės.
• „IBM Quantum Experience“: Debesijos pagrindu veikianti platforma, suteikianti prieigą prie IBM kvantinių kompiuterių ir simuliatorių.

Iššūkiai ir ateities kryptys

Nors kvantinė kompiuterija žada labai daug, ji taip pat susiduria su keliais iššūkiais:

• Aparatinės įrangos apribojimai: Stabilių ir plečiamų kvantinių kompiuterių kūrimas ir palaikymas yra didelis inžinerinis iššūkis.
• Kvantinių klaidų taisymas: Veiksmingų kvantinių klaidų taisymo metodų kūrimas yra būtinas patikimiems skaičiavimams.
• Algoritmų kūrimas: Naujų kvantinių algoritmų, kurie galėtų pranokti klasikinius algoritmus sprendžiant praktines problemas, atradimas yra nuolatinės pastangos.
• Programinės įrangos kūrimas: Tvirtų ir patogių kvantinio programavimo įrankių ir aplinkų kūrimas yra būtinas platesniam pritaikymui.
• Talentų trūkumas: Kvalifikuotos darbo jėgos mokymas ir švietimas kvantinės kompiuterijos srityje yra labai svarbus šios srities ateičiai.

Nepaisant šių iššūkių, kvantinės kompiuterijos sritis sparčiai juda į priekį. Ateities kryptys apima:

• Patobulinta aparatinė įranga: Stabilių ir plečiamų kvantinių kompiuterių kūrimas su didesniu kubitų skaičiumi ir pagerintais koherencijos laikais.
• Pažangus klaidų taisymas: Sudėtingesnių kvantinių klaidų taisymo kodų įgyvendinimas, siekiant sumažinti triukšmo poveikį.
• Hibridiniai algoritmai: Kvantinių ir klasikinių algoritmų derinimas, siekiant išnaudoti abiejų metodų privalumus.
• Kvantinės debesijos paslaugos: Prieigos prie kvantinės kompiuterijos išteklių plėtra per debesijos pagrindu veikiančias platformas.
• Kvantinis švietimas: Švietimo programų ir išteklių kūrimas, skirtas naujos kartos kvantinių mokslininkų ir inžinierių rengimui.

Išvada

Kvantinis programavimas su „Qiskit“ suteikia galingą prieigą prie jaudinančio kvantinės kompiuterijos pasaulio. Dėl savo atvirojo kodo pobūdžio, „Python“ pagrindu veikiančios sąsajos ir išsamaus įrankių rinkinio ji yra ideali platforma mokymuisi, eksperimentavimui ir inovacijoms. Kvantinei aparatūrinei įrangai toliau bręstant, „Qiskit“ vaidins vis svarbesnį vaidmenį atveriant kvantinės kompiuterijos potencialą ir transformuojant pramonės šakas visame pasaulyje.

Nesvarbu, ar esate studentas, mokslininkas, programuotojas ar verslo profesionalas, dabar yra laikas tyrinėti kvantinio programavimo su „Qiskit“ galimybes ir tapti šios revoliucinės srities dalimi. Pasaulinės galimybės yra didžiulės, o kompiuterijos ateitis neabejotinai yra kvantinė.