IzpÄtiet kvantu programmÄÅ”anu ar Qiskit, IBM atvÄrtÄ pirmkoda SDK. ApgÅ«stiet pamatus, padziļinÄtus konceptus un praktiskus pielietojumus dažÄdÄs nozarÄs visÄ pasaulÄ.
Kvantu programmÄÅ”ana ar Qiskit: GlobÄls ievads
Kvantu skaitļoÅ”ana, kas kÄdreiz bija teorÄtisks jÄdziens, strauji pÄrvÄrÅ”as par taustÄmu realitÄti. Å Ä« jaunÄ nozare sola revolucionizÄt dažÄdas jomas, sÄkot no medicÄ«nas un materiÄlzinÄtnes lÄ«dz finansÄm un mÄkslÄ«gajam intelektam. AparatÅ«rai attÄ«stoties, fokuss pÄriet uz programmatÅ«ras izstrÄdi, un Qiskit, IBM atvÄrtÄ pirmkoda kvantu programmÄÅ”anas SDK, ir Ŕīs revolÅ«cijas priekÅ”galÄ.
Kas ir kvantu skaitļoŔana?
AtŔķirÄ«bÄ no klasiskajiem datoriem, kas informÄciju glabÄ bitos, kuri apzÄ«mÄ 0 vai 1, kvantu datori izmanto kvantu bitus jeb kubitus. Kubiti var pastÄvÄt stÄvokļu superpozÄ«cijÄ, kas nozÄ«mÄ, ka tie vienlaikus var attÄlot 0, 1 vai abu kombinÄciju. TurklÄt kvantu datori izmanto tÄdas parÄdÄ«bas kÄ sapÄ«Å”anÄs un kvantu interference, lai veiktu aprÄÄ·inus fundamentÄli atŔķirÄ«gos veidos nekÄ klasiskie datori. Tas ļauj tiem potenciÄli atrisinÄt noteiktas problÄmas, kas ir neiespÄjamas pat jaudÄ«gÄkajiem superdatoriem.
Galvenie jÄdzieni, kas jÄsaprot, ietver:
- SuperpozÄ«cija: Kubits, kas vienlaikus pastÄv vairÄkos stÄvokļos.
- SapÄ«Å”anÄs: Divi vai vairÄki kubiti ir savstarpÄji saistÄ«ti tÄ, ka viena stÄvoklis acumirklÄ« ietekmÄ pÄrÄjo stÄvokli, neatkarÄ«gi no attÄluma, kas tos Ŕķir.
- Kvantu interference: ManipulÄÅ”ana ar dažÄdu skaitļoÅ”anas ceļu varbÅ«tÄ«bÄm, lai palielinÄtu pareizÄs atbildes iegÅ«Å”anas iespÄjamÄ«bu.
IepazÄ«stinÄm ar Qiskit: JÅ«su vÄrti uz kvantu programmÄÅ”anu
Qiskit (Quantum Information Science Kit) ir IBM izstrÄdÄts atvÄrtÄ pirmkoda ietvars, kas nodroÅ”ina rÄ«kus kvantu programmÄÅ”anai, simulÄcijai un eksperimentu izpildei. BalstÄ«ts uz Python, Qiskit piedÄvÄ lietotÄjam draudzÄ«gu saskarni, lai izstrÄdÄtu un izpildÄ«tu kvantu shÄmas uz reÄlas kvantu aparatÅ«ras vai simulatoriem. TÄ modulÄrÄ struktÅ«ra ļauj lietotÄjiem koncentrÄties uz konkrÄtiem kvantu skaitļoÅ”anas aspektiem, sÄkot no shÄmu izstrÄdes lÄ«dz algoritmu attÄ«stÄ«bai.
Qiskit galvenÄs iezÄ«mes:
- AtvÄrtais pirmkods: Qiskit ir brÄ«vi pieejams un veicina kopienas ieguldÄ«jumu, sekmÄjot inovÄcijas un sadarbÄ«bu.
- BalstÄ«ts uz Python: Izmantojot Python popularitÄti un plaÅ”Äs bibliotÄkas, Qiskit nodroÅ”ina pazÄ«stamu vidi izstrÄdÄtÄjiem.
- ModulÄra arhitektÅ«ra: Qiskit ir organizÄts moduļos, katrs no kuriem risina konkrÄtus kvantu skaitļoÅ”anas aspektus:
- Qiskit Terra: Qiskit pamats, kas nodroÅ”ina pamatkomponentus kvantu shÄmÄm un algoritmiem.
- Qiskit Aer: Augstas veiktspÄjas kvantu shÄmu simulators, kas ļauj lietotÄjiem testÄt un atkļūdot savas kvantu programmas.
- Qiskit Ignis: RÄ«ki trokÅ”Åa raksturoÅ”anai un mazinÄÅ”anai kvantu ierÄ«cÄs.
- Qiskit Aqua: Kvantu algoritmu bibliotÄka dažÄdiem pielietojumiem, ieskaitot Ä·Ä«miju, optimizÄciju un maŔīnmÄcÄ«Å”anos.
- AparatÅ«ras piekļuve: Qiskit ļauj lietotÄjiem palaist savas programmas uz IBM kvantu datoriem mÄkonÄ«, nodroÅ”inot piekļuvi modernÄkajai kvantu aparatÅ«rai.
- Kopienas atbalsts: DzÄ«vÄ«ga un aktÄ«va pÄtnieku, izstrÄdÄtÄju un entuziastu kopiena sniedz atbalstu, resursus un izglÄ«tojoÅ”us materiÄlus.
Darba sÄkÅ”ana ar Qiskit: Praktisks piemÄrs
ApskatÄ«sim vienkÄrÅ”u piemÄru, kÄ izveidot Bella stÄvokli, izmantojot Qiskit. Å is piemÄrs demonstrÄ kvantu shÄmas izveidi, kvantu vÄrtu pielietoÅ”anu un shÄmas simulÄciju, lai novÄrotu rezultÄtus.
PriekŔnosacījumi:
- Python 3.6 vai jaunÄka versija
- InstalÄts Qiskit (izmantojot
pip install qiskit)
Koda piemÄrs:
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)
Paskaidrojums:
- MÄs importÄjam nepiecieÅ”amos moduļus no Qiskit.
- MÄs izveidojam
QuantumCircuitar diviem kubitiem un diviem klasiskajiem bitiem. Klasiskie biti tiek izmantoti mÄrÄ«jumu rezultÄtu glabÄÅ”anai. - MÄs pielietojam Hadamarda vÄrtus (
h) pirmajam kubitam, novietojot to 0 un 1 superpozÄ«cijÄ. - MÄs pielietojam CNOT vÄrtus (
cx), kur pirmais kubits ir kontroles, bet otrais ā mÄrÄ·a kubits, tÄdÄjÄdi sapinot abus kubitus. - MÄs mÄrÄm abus kubitus un saglabÄjam rezultÄtus klasiskajos bitos.
- MÄs izmantojam
qasm_simulatorno Qiskit Aer, lai simulÄtu shÄmu. - MÄs kompilÄjam un izpildÄm shÄmu, norÄdot "Å”Ävienu" (atkÄrtojumu) skaitu simulÄcijai.
- MÄs iegÅ«stam rezultÄtus un izdrukÄjam skaitÄ«jumus, kas parÄda, cik reižu katrs iespÄjamais iznÄkums (00, 01, 10, 11) ir noticis.
plot_histogramfunkcija (komentÄta) var tikt izmantota, lai vizualizÄtu rezultÄtus histogrammas veidÄ.
Å is vienkÄrÅ”ais piemÄrs demonstrÄ pamatdarbÄ«bas, kas saistÄ«tas ar kvantu programmÄÅ”anu ar Qiskit: shÄmas izveide, vÄrtu pielietoÅ”ana, kubitu mÄrÄ«Å”ana un shÄmas simulÄÅ”ana. Jums vajadzÄtu redzÄt, ka izvades "00" un "11" tiek novÄrotas aptuveni 50% gadÄ«jumu katra, savukÄrt "01" un "10" praktiski nekad netiek novÄrotas, kas ilustrÄ abu kubitu sapÄ«Å”anos.
PadziļinÄti Qiskit koncepti
Papildus pamatiem Qiskit piedÄvÄ plaÅ”u uzlabotu funkciju klÄstu, lai risinÄtu sarežģītÄkas kvantu problÄmas. Tie ietver:
Kvantu algoritmi
Qiskit Aqua nodroÅ”ina iebÅ«vÄtu kvantu algoritmu bibliotÄku, piemÄram:
- VariÄciju kvantu Ä«paÅ”vÄrtÄ«bu risinÄtÄjs (VQE): Izmanto, lai atrastu molekulu pamatstÄvokļa enerÄ£iju, ar pielietojumu Ä·Ä«mijÄ un materiÄlzinÄtnÄ. PiemÄram, pÄtnieki VÄcijÄ varÄtu izmantot VQE, lai optimizÄtu jaunu katalizatoru dizainu.
- Kvantu aptuvenÄs optimizÄcijas algoritms (QAOA): Izmanto, lai risinÄtu kombinatoriskÄs optimizÄcijas problÄmas, piemÄram, ceļojoÅ”Ä pÄrdevÄja problÄmu. LoÄ£istikas uzÅÄmums SingapÅ«rÄ varÄtu potenciÄli izmantot QAOA, lai optimizÄtu piegÄdes marÅ”rutus.
- Grovera algoritms: Kvantu meklÄÅ”anas algoritms, kas var nodroÅ”inÄt kvadrÄtisku Ätruma pieaugumu salÄ«dzinÄjumÄ ar klasiskajiem meklÄÅ”anas algoritmiem. Datu bÄzu uzÅÄmums Amerikas SavienotajÄs ValstÄ«s varÄtu izmantot Grovera algoritmu, lai paÄtrinÄtu datu izgÅ«Å”anu.
- Kvantu FurjÄ transformÄcija (QFT): FundamentÄls algoritms, ko izmanto daudzos kvantu algoritmos, tostarp Å ora algoritmÄ lielu skaitļu faktorizÄcijai.
Kvantu kļūdu laboŔana
Kvantu datori pÄc savas dabas ir trokÅ”Åaini, tÄpÄc kvantu kļūdu laboÅ”ana ir bÅ«tiska uzticamai skaitļoÅ”anai. Qiskit Ignis nodroÅ”ina rÄ«kus trokÅ”Åa raksturoÅ”anai un mazinÄÅ”anai, kÄ arÄ« kļūdu laboÅ”anas kodu ievieÅ”anai. PÄtnieki universitÄtÄs visÄ pasaulÄ (piemÄram, Vaterlo UniversitÄtÄ KanÄdÄ, Delftas TehnoloÄ£iju universitÄtÄ NÄ«derlandÄ) aktÄ«vi strÄdÄ pie jaunu kvantu kļūdu laboÅ”anas metožu izstrÄdes un ievieÅ”anas, izmantojot Qiskit.
Kvantu simulÄcija
Qiskit var izmantot, lai simulÄtu kvantu sistÄmas, ļaujot pÄtniekiem pÄtÄ«t molekulu, materiÄlu un citu kvantu parÄdÄ«bu uzvedÄ«bu. Tam ir pielietojums zÄļu atklÄÅ”anÄ, materiÄlu dizainÄ un fundamentÄlajos zinÄtniskajos pÄtÄ«jumos. PiemÄram, zinÄtnieki JapÄnÄ izmanto Qiskit, lai simulÄtu jaunu supravadoÅ”u materiÄlu uzvedÄ«bu.
Kvantu maŔīnmÄcÄ«Å”anÄs
Kvantu maŔīnmÄcÄ«Å”anÄs pÄta kvantu datoru potenciÄlu uzlabot maŔīnmÄcÄ«Å”anÄs algoritmus. Qiskit piedÄvÄ rÄ«kus kvantu maŔīnmÄcÄ«Å”anÄs modeļu veidoÅ”anai un apmÄcÄ«bai, kas noteiktos uzdevumos varÄtu potenciÄli pÄrspÄt klasiskos maŔīnmÄcÄ«Å”anÄs algoritmus. PiemÄram, bankas Å veicÄ pÄta kvantu maŔīnmÄcÄ«Å”anÄs izmantoÅ”anu krÄpÅ”anas atklÄÅ”anai.
Kvantu programmÄÅ”anas ar Qiskit reÄlÄs pasaules pielietojumi
Kvantu programmÄÅ”anas ar Qiskit pielietojumi ir plaÅ”i un aptver daudzas nozares. Å eit ir daži piemÄri:
- ZÄļu atklÄÅ”ana: MolekulÄro mijiedarbÄ«bu simulÄÅ”ana, lai paÄtrinÄtu jaunu zÄļu un terapiju atklÄÅ”anu. FarmÄcijas uzÅÄmumi visÄ pasaulÄ (piem., Roche Å veicÄ, Pfizer ASV) are exploring quantum simulations to design better drug candidates.
- MateriÄlzinÄtne: Jaunu materiÄlu ar specifiskÄm Ä«paŔībÄm, piemÄram, supravadÄ«tÄju vai augstas veiktspÄjas polimÄru, projektÄÅ”ana. PÄtnieki DienvidkorejÄ izmanto kvantu simulÄcijas, lai izstrÄdÄtu jaunus akumulatoru materiÄlus.
- Finanses: InvestÄ«ciju portfeļu optimizÄÅ”ana, krÄpÅ”anas atklÄÅ”ana un jaunu finanÅ”u modeļu izstrÄde. FinanÅ”u iestÄdes ApvienotajÄ KaralistÄ pÄta kvantu algoritmus riska pÄrvaldÄ«bai.
- LoÄ£istika: PiegÄdes marÅ”rutu un piegÄdes Ä·Äžu pÄrvaldÄ«bas optimizÄÅ”ana. UzÅÄmumi kÄ DHL un FedEx pÄta kvantu skaitļoÅ”anas potenciÄlu, lai racionalizÄtu savas darbÄ«bas.
- MÄkslÄ«gais intelekts: JaudÄ«gÄku maŔīnmÄcÄ«Å”anÄs algoritmu izstrÄde. Google un Microsoft aktÄ«vi pÄta kvantu maŔīnmÄcÄ«Å”anos.
GlobÄlÄs kvantu iniciatÄ«vas un Qiskit loma
Kvantu skaitļoÅ”ana ir globÄls pasÄkums ar ievÄrojamÄm investÄ«cijÄm un pÄtniecÄ«bas iniciatÄ«vÄm daudzÄs valstÄ«s. Å Ä«s iniciatÄ«vas veicina sadarbÄ«bu, virza inovÄcijas un paÄtrina kvantu tehnoloÄ£iju attÄ«stÄ«bu.
GlobÄlo kvantu iniciatÄ«vu piemÄri:
- Kvantu flagmanis (Eiropas SavienÄ«ba): 1 miljarda eiro iniciatÄ«va, lai atbalstÄ«tu kvantu pÄtniecÄ«bu un attÄ«stÄ«bu visÄ EiropÄ.
- NacionÄlÄ kvantu iniciatÄ«va (Amerikas SavienotÄs Valstis): NacionÄla stratÄÄ£ija kvantu pÄtniecÄ«bas un attÄ«stÄ«bas paÄtrinÄÅ”anai.
- Kvantu tehnoloÄ£iju un inovÄciju stratÄÄ£ija (ApvienotÄ Karaliste): StratÄÄ£ija, lai pozicionÄtu Apvienoto Karalisti kÄ pasaules lÄ«deri kvantu tehnoloÄ£ijÄs.
- KanÄdas NacionÄlÄ kvantu stratÄÄ£ija: StratÄÄ£isks ietvars kvantu tehnoloÄ£iju un inovÄciju veicinÄÅ”anai KanÄdÄ.
- AustrÄlijas kvantu tehnoloÄ£iju ceļvedis: Ceļvedis, lai AustrÄliju padarÄ«tu par globÄlu lÄ«deri kvantu tehnoloÄ£ijÄs.
- JapÄnas kvantu tehnoloÄ£iju inovÄciju stratÄÄ£ija: VisaptveroÅ”a stratÄÄ£ija kvantu tehnoloÄ£iju inovÄciju veicinÄÅ”anai.
Qiskit spÄlÄ bÅ«tisku lomu Å”ajÄs iniciatÄ«vÄs, nodroÅ”inot kopÄ«gu platformu pÄtniekiem, izstrÄdÄtÄjiem un studentiem, lai mÄcÄ«tos, eksperimentÄtu un sadarbotos kvantu programmÄÅ”anÄ. TÄ atvÄrtÄ pirmkoda daba un aktÄ«vÄ kopiena padara to par ideÄlu rÄ«ku inovÄciju veicinÄÅ”anai un kvantu tehnoloÄ£iju attÄ«stÄ«bas paÄtrinÄÅ”anai visÄ pasaulÄ.
MÄcÄ«bu resursi un kopienas iesaiste
Ir pieejami daudzi resursi personÄm un organizÄcijÄm, kas ir ieinteresÄtas apgÅ«t Qiskit un iesaistÄ«ties kvantu skaitļoÅ”anas kopienÄ:
- Qiskit dokumentÄcija: OficiÄlÄ Qiskit dokumentÄcija sniedz visaptveroÅ”u informÄciju par visiem ietvara aspektiem.
- Qiskit pamÄcÄ«bas: PamÄcÄ«bu kolekcija, kas aptver dažÄdus kvantu programmÄÅ”anas jÄdzienus un Qiskit funkcijas.
- Qiskit mÄcÄ«bu grÄmata: VisaptveroÅ”a mÄcÄ«bu grÄmata par kvantu skaitļoÅ”anu un kvantu programmÄÅ”anu ar Qiskit.
- Qiskit Slack kanÄls: Kopienas forums jautÄjumu uzdoÅ”anai, zinÄÅ”anu apmaiÅai un saziÅai ar citiem Qiskit lietotÄjiem.
- Qiskit GlobÄlÄ vasaras skola: IkgadÄja vasaras skola, kas piedÄvÄ intensÄ«vu apmÄcÄ«bu kvantu skaitļoÅ”anÄ un Qiskit programmÄÅ”anÄ.
- Qiskit Advocate programma: Programma, kas atzÄ«st un atbalsta personas, kuras sniedz ieguldÄ«jumu Qiskit kopienÄ.
- IBM Quantum Experience: MÄkoÅpakalpojumu platforma, kas nodroÅ”ina piekļuvi IBM kvantu datoriem un simulatoriem.
IzaicinÄjumi un nÄkotnes virzieni
Lai gan kvantu skaitļoÅ”anai ir milzÄ«gs potenciÄls, tÄ saskaras arÄ« ar vairÄkiem izaicinÄjumiem:
- AparatÅ«ras ierobežojumi: Stabilu un mÄrogojamu kvantu datoru izveide un uzturÄÅ”ana ir ievÄrojams inženierijas izaicinÄjums.
- Kvantu kļūdu laboÅ”ana: EfektÄ«vu kvantu kļūdu laboÅ”anas metožu izstrÄde ir bÅ«tiska uzticamai skaitļoÅ”anai.
- Algoritmu attÄ«stÄ«ba: Jaunu kvantu algoritmu atklÄÅ”ana, kas praktiskÄm problÄmÄm var pÄrspÄt klasiskos algoritmus, ir nepÄrtraukts process.
- ProgrammatÅ«ras izstrÄde: Robustu un lietotÄjam draudzÄ«gu kvantu programmÄÅ”anas rÄ«ku un vides izveide ir bÅ«tiska plaÅ”Äkai adopcijai.
- Talantu trÅ«kums: KvalificÄta darbaspÄka apmÄcÄ«ba un izglÄ«toÅ”ana kvantu skaitļoÅ”anÄ ir bÅ«tiska nozares nÄkotnei.
Neskatoties uz Å”iem izaicinÄjumiem, kvantu skaitļoÅ”anas joma strauji attÄ«stÄs. NÄkotnes virzieni ietver:
- Uzlabota aparatÅ«ra: StabilÄku un mÄrogojamu kvantu datoru izstrÄde ar palielinÄtu kubitu skaitu un uzlabotiem koherences laikiem.
- Uzlabota kļūdu laboÅ”ana: SarežģītÄku kvantu kļūdu laboÅ”anas kodu ievieÅ”ana, lai samazinÄtu trokÅ”Åa ietekmi.
- HibrÄ«da algoritmi: Kvantu un klasisko algoritmu apvienoÅ”ana, lai izmantotu abu pieeju stiprÄs puses.
- Kvantu mÄkoÅpakalpojumi: Piekļuves paplaÅ”inÄÅ”ana kvantu skaitļoÅ”anas resursiem, izmantojot mÄkoÅpakalpojumu platformas.
- Kvantu izglÄ«tÄ«ba: IzglÄ«tÄ«bas programmu un resursu izstrÄde, lai apmÄcÄ«tu nÄkamo kvantu zinÄtnieku un inženieru paaudzi.
NoslÄgums
Kvantu programmÄÅ”ana ar Qiskit piedÄvÄ spÄcÄ«gu vÄrtu uz aizraujoÅ”o kvantu skaitļoÅ”anas pasauli. TÄ atvÄrtÄ pirmkoda daba, uz Python balstÄ«tÄ saskarne un visaptveroÅ”ais rÄ«ku komplekts padara to par ideÄlu platformu mÄcÄ«bÄm, eksperimentiem un inovÄcijÄm. Kvantu aparatÅ«rai turpinot attÄ«stÄ«ties, Qiskit spÄlÄs arvien nozÄ«mÄ«gÄku lomu kvantu skaitļoÅ”anas potenciÄla atraisÄ«Å”anÄ un nozaru pÄrveidÄ visÄ pasaulÄ.
NeatkarÄ«gi no tÄ, vai esat students, pÄtnieks, izstrÄdÄtÄjs vai biznesa profesionÄlis, tagad ir Ä«stais laiks izpÄtÄ«t kvantu programmÄÅ”anas iespÄjas ar Qiskit un kļūt par daļu no Ŕīs revolucionÄrÄs jomas. GlobÄlÄs iespÄjas ir milzÄ«gas, un skaitļoÅ”anas nÄkotne neapÅ”aubÄmi ir kvantu.