Kvantu programmēšana ar Qiskit: Globāls ievads

Kvantu skaitļošana, kas kādreiz bija teorētisks jēdziens, strauji pārvēršas par taustāmu realitāti. Šī jaunā nozare sola revolucionizēt dažādas jomas, sākot no medicīnas un materiālzinātnes līdz finansēm un mākslīgajam intelektam. Aparatūrai attīstoties, fokuss pāriet uz programmatūras izstrādi, un Qiskit, IBM atvērtā pirmkoda kvantu programmēšanas SDK, ir šīs revolūcijas priekšgalā.

Kas ir kvantu skaitļošana?

Atšķirībā no klasiskajiem datoriem, kas informāciju glabā bitos, kuri apzīmē 0 vai 1, kvantu datori izmanto kvantu bitus jeb kubitus. Kubiti var pastāvēt stāvokļu superpozīcijā, kas nozīmē, ka tie vienlaikus var attēlot 0, 1 vai abu kombināciju. Turklāt kvantu datori izmanto tādas parādības kā sapīšanās un kvantu interference, lai veiktu aprēķinus fundamentāli atšķirīgos veidos nekā klasiskie datori. Tas ļauj tiem potenciāli atrisināt noteiktas problēmas, kas ir neiespējamas pat jaudīgākajiem superdatoriem.

Galvenie jēdzieni, kas jāsaprot, ietver:

• Superpozīcija: Kubits, kas vienlaikus pastāv vairākos stāvokļos.
• Sapīšanās: Divi vai vairāki kubiti ir savstarpēji saistīti tā, ka viena stāvoklis acumirklī ietekmē pārējo stāvokli, neatkarīgi no attāluma, kas tos šķir.
• Kvantu interference: Manipulēšana ar dažādu skaitļošanas ceļu varbūtībām, lai palielinātu pareizās atbildes iegūšanas iespējamību.

Iepazīstinām ar Qiskit: Jūsu vārti uz kvantu programmēšanu

Qiskit (Quantum Information Science Kit) ir IBM izstrādāts atvērtā pirmkoda ietvars, kas nodrošina rīkus kvantu programmēšanai, simulācijai un eksperimentu izpildei. Balstīts uz Python, Qiskit piedāvā lietotājam draudzīgu saskarni, lai izstrādātu un izpildītu kvantu shēmas uz reālas kvantu aparatūras vai simulatoriem. Tā modulārā struktūra ļauj lietotājiem koncentrēties uz konkrētiem kvantu skaitļošanas aspektiem, sākot no shēmu izstrādes līdz algoritmu attīstībai.

Qiskit galvenās iezīmes:

• Atvērtais pirmkods: Qiskit ir brīvi pieejams un veicina kopienas ieguldījumu, sekmējot inovācijas un sadarbību.
• Balstīts uz Python: Izmantojot Python popularitāti un plašās bibliotēkas, Qiskit nodrošina pazīstamu vidi izstrādātājiem.
• Modulāra arhitektūra: Qiskit ir organizēts moduļos, katrs no kuriem risina konkrētus kvantu skaitļošanas aspektus:
• Qiskit Terra: Qiskit pamats, kas nodrošina pamatkomponentus kvantu shēmām un algoritmiem.
• Qiskit Aer: Augstas veiktspējas kvantu shēmu simulators, kas ļauj lietotājiem testēt un atkļūdot savas kvantu programmas.
• Qiskit Ignis: Rīki trokšņa raksturošanai un mazināšanai kvantu ierīcēs.
• Qiskit Aqua: Kvantu algoritmu bibliotēka dažādiem pielietojumiem, ieskaitot ķīmiju, optimizāciju un mašīnmācīšanos.
• Aparatūras piekļuve: Qiskit ļauj lietotājiem palaist savas programmas uz IBM kvantu datoriem mākonī, nodrošinot piekļuvi modernākajai kvantu aparatūrai.
• Kopienas atbalsts: Dzīvīga un aktīva pētnieku, izstrādātāju un entuziastu kopiena sniedz atbalstu, resursus un izglītojošus materiālus.

Darba sākšana ar Qiskit: Praktisks piemērs

Apskatīsim vienkāršu piemēru, kā izveidot Bella stāvokli, izmantojot Qiskit. Šis piemērs demonstrē kvantu shēmas izveidi, kvantu vārtu pielietošanu un shēmas simulāciju, lai novērotu rezultātus.

Priekšnosacījumi:

• Python 3.6 vai jaunāka versija
• Instalēts Qiskit (izmantojot pip install qiskit)

Koda piemērs:

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:

1. Mēs importējam nepieciešamos moduļus no Qiskit.
2. Mēs izveidojam QuantumCircuit ar diviem kubitiem un diviem klasiskajiem bitiem. Klasiskie biti tiek izmantoti mērījumu rezultātu glabāšanai.
3. Mēs pielietojam Hadamarda vārtus (h) pirmajam kubitam, novietojot to 0 un 1 superpozīcijā.
4. Mēs pielietojam CNOT vārtus (cx), kur pirmais kubits ir kontroles, bet otrais — mērķa kubits, tādējādi sapinot abus kubitus.
5. Mēs mērām abus kubitus un saglabājam rezultātus klasiskajos bitos.
6. Mēs izmantojam qasm_simulator no Qiskit Aer, lai simulētu shēmu.
7. Mēs kompilējam un izpildām shēmu, norādot "šāvienu" (atkārtojumu) skaitu simulācijai.
8. Mēs iegūstam rezultātus un izdrukājam skaitījumus, kas parāda, cik reižu katrs iespējamais iznākums (00, 01, 10, 11) ir noticis.
9. plot_histogram funkcija (komentēta) var tikt izmantota, lai vizualizētu rezultātus histogrammas veidā.

Šis vienkāršais piemērs demonstrē pamatdarbības, kas saistītas ar kvantu programmēšanu ar Qiskit: shēmas izveide, vārtu pielietošana, kubitu mērīšana un shēmas simulēšana. Jums vajadzētu redzēt, ka izvades "00" un "11" tiek novērotas aptuveni 50% gadījumu katra, savukārt "01" un "10" praktiski nekad netiek novērotas, kas ilustrē abu kubitu sapīšanos.

Padziļināti Qiskit koncepti

Papildus pamatiem Qiskit piedāvā plašu uzlabotu funkciju klāstu, lai risinātu sarežģītākas kvantu problēmas. Tie ietver:

Kvantu algoritmi

Qiskit Aqua nodrošina iebūvētu kvantu algoritmu bibliotēku, piemēram:

• Variāciju kvantu īpašvērtību risinātājs (VQE): Izmanto, lai atrastu molekulu pamatstāvokļa enerģiju, ar pielietojumu ķīmijā un materiālzinātnē. Piemēram, pētnieki Vācijā varētu izmantot VQE, lai optimizētu jaunu katalizatoru dizainu.
• Kvantu aptuvenās optimizācijas algoritms (QAOA): Izmanto, lai risinātu kombinatoriskās optimizācijas problēmas, piemēram, ceļojošā pārdevēja problēmu. Loģistikas uzņēmums Singapūrā varētu potenciāli izmantot QAOA, lai optimizētu piegādes maršrutus.
• Grovera algoritms: Kvantu meklēšanas algoritms, kas var nodrošināt kvadrātisku ātruma pieaugumu salīdzinājumā ar klasiskajiem meklēšanas algoritmiem. Datu bāzu uzņēmums Amerikas Savienotajās Valstīs varētu izmantot Grovera algoritmu, lai paātrinātu datu izgūšanu.
• Kvantu Furjē transformācija (QFT): Fundamentāls algoritms, ko izmanto daudzos kvantu algoritmos, tostarp Šora algoritmā lielu skaitļu faktorizācijai.

Kvantu kļūdu labošana

Kvantu datori pēc savas dabas ir trokšņaini, tāpēc kvantu kļūdu labošana ir būtiska uzticamai skaitļošanai. Qiskit Ignis nodrošina rīkus trokšņa raksturošanai un mazināšanai, kā arī kļūdu labošanas kodu ieviešanai. Pētnieki universitātēs visā pasaulē (piemēram, Vaterlo Universitātē Kanādā, Delftas Tehnoloģiju universitātē Nīderlandē) aktīvi strādā pie jaunu kvantu kļūdu labošanas metožu izstrādes un ieviešanas, izmantojot Qiskit.

Kvantu simulācija

Qiskit var izmantot, lai simulētu kvantu sistēmas, ļaujot pētniekiem pētīt molekulu, materiālu un citu kvantu parādību uzvedību. Tam ir pielietojums zāļu atklāšanā, materiālu dizainā un fundamentālajos zinātniskajos pētījumos. Piemēram, zinātnieki Japānā izmanto Qiskit, lai simulētu jaunu supravadošu materiālu uzvedību.

Kvantu mašīnmācīšanās

Kvantu mašīnmācīšanās pēta kvantu datoru potenciālu uzlabot mašīnmācīšanās algoritmus. Qiskit piedāvā rīkus kvantu mašīnmācīšanās modeļu veidošanai un apmācībai, kas noteiktos uzdevumos varētu potenciāli pārspēt klasiskos mašīnmācīšanās algoritmus. Piemēram, bankas Šveicē pēta kvantu mašīnmācīšanās izmantošanu krāpšanas atklāšanai.

Kvantu programmēšanas ar Qiskit reālās pasaules pielietojumi

Kvantu programmēšanas ar Qiskit pielietojumi ir plaši un aptver daudzas nozares. Šeit ir daži piemēri:

• Zāļu atklāšana: Molekulāro mijiedarbību simulēšana, lai paātrinātu jaunu zāļu un terapiju atklāšanu. Farmācijas uzņēmumi visā pasaulē (piem., Roche Šveicē, Pfizer ASV) are exploring quantum simulations to design better drug candidates.
• Materiālzinātne: Jaunu materiālu ar specifiskām īpašībām, piemēram, supravadītāju vai augstas veiktspējas polimēru, projektēšana. Pētnieki Dienvidkorejā izmanto kvantu simulācijas, lai izstrādātu jaunus akumulatoru materiālus.
• Finanses: Investīciju portfeļu optimizēšana, krāpšanas atklāšana un jaunu finanšu modeļu izstrāde. Finanšu iestādes Apvienotajā Karalistē pēta kvantu algoritmus riska pārvaldībai.
• Loģistika: Piegādes maršrutu un piegādes ķēžu pārvaldības optimizēšana. Uzņēmumi kā DHL un FedEx pēta kvantu skaitļošanas potenciālu, lai racionalizētu savas darbības.
• Mākslīgais intelekts: Jaudīgāku mašīnmācīšanās algoritmu izstrāde. Google un Microsoft aktīvi pēta kvantu mašīnmācīšanos.

Globālās kvantu iniciatīvas un Qiskit loma

Kvantu skaitļošana ir globāls pasākums ar ievērojamām investīcijām un pētniecības iniciatīvām daudzās valstīs. Šīs iniciatīvas veicina sadarbību, virza inovācijas un paātrina kvantu tehnoloģiju attīstību.

Globālo kvantu iniciatīvu piemēri:

• Kvantu flagmanis (Eiropas Savienība): 1 miljarda eiro iniciatīva, lai atbalstītu kvantu pētniecību un attīstību visā Eiropā.
• Nacionālā kvantu iniciatīva (Amerikas Savienotās Valstis): Nacionāla stratēģija kvantu pētniecības un attīstības paātrināšanai.
• Kvantu tehnoloģiju un inovāciju stratēģija (Apvienotā Karaliste): Stratēģija, lai pozicionētu Apvienoto Karalisti kā pasaules līderi kvantu tehnoloģijās.
• Kanādas Nacionālā kvantu stratēģija: Stratēģisks ietvars kvantu tehnoloģiju un inovāciju veicināšanai Kanādā.
• Austrālijas kvantu tehnoloģiju ceļvedis: Ceļvedis, lai Austrāliju padarītu par globālu līderi kvantu tehnoloģijās.
• Japānas kvantu tehnoloģiju inovāciju stratēģija: Visaptveroša stratēģija kvantu tehnoloģiju inovāciju veicināšanai.

Qiskit spēlē būtisku lomu šajās iniciatīvās, nodrošinot kopīgu platformu pētniekiem, izstrādātājiem un studentiem, lai mācītos, eksperimentētu un sadarbotos kvantu programmēšanā. Tā atvērtā pirmkoda daba un aktīvā kopiena padara to par ideālu rīku inovāciju veicināšanai un kvantu tehnoloģiju attīstības paātrināšanai visā pasaulē.

Mācību resursi un kopienas iesaiste

Ir pieejami daudzi resursi personām un organizācijām, kas ir ieinteresētas apgūt Qiskit un iesaistīties kvantu skaitļošanas kopienā:

• Qiskit dokumentācija: Oficiālā Qiskit dokumentācija sniedz visaptverošu informāciju par visiem ietvara aspektiem.
• Qiskit pamācības: Pamācību kolekcija, kas aptver dažādus kvantu programmēšanas jēdzienus un Qiskit funkcijas.
• Qiskit mācību grāmata: Visaptveroša mācību grāmata par kvantu skaitļošanu un kvantu programmēšanu ar Qiskit.
• Qiskit Slack kanāls: Kopienas forums jautājumu uzdošanai, zināšanu apmaiņai un saziņai ar citiem Qiskit lietotājiem.
• Qiskit Globālā vasaras skola: Ikgadēja vasaras skola, kas piedāvā intensīvu apmācību kvantu skaitļošanā un Qiskit programmēšanā.
• Qiskit Advocate programma: Programma, kas atzīst un atbalsta personas, kuras sniedz ieguldījumu Qiskit kopienā.
• IBM Quantum Experience: Mākoņpakalpojumu platforma, kas nodrošina piekļuvi IBM kvantu datoriem un simulatoriem.

Izaicinājumi un nākotnes virzieni

Lai gan kvantu skaitļošanai ir milzīgs potenciāls, tā saskaras arī ar vairākiem izaicinājumiem:

• Aparatūras ierobežojumi: Stabilu un mērogojamu kvantu datoru izveide un uzturēšana ir ievērojams inženierijas izaicinājums.
• Kvantu kļūdu labošana: Efektīvu kvantu kļūdu labošanas metožu izstrāde ir būtiska uzticamai skaitļošanai.
• Algoritmu attīstība: Jaunu kvantu algoritmu atklāšana, kas praktiskām problēmām var pārspēt klasiskos algoritmus, ir nepārtraukts process.
• Programmatūras izstrāde: Robustu un lietotājam draudzīgu kvantu programmēšanas rīku un vides izveide ir būtiska plašākai adopcijai.
• Talantu trūkums: Kvalificēta darbaspēka apmācība un izglītošana kvantu skaitļošanā ir būtiska nozares nākotnei.

Neskatoties uz šiem izaicinājumiem, kvantu skaitļošanas joma strauji attīstās. Nākotnes virzieni ietver:

• Uzlabota aparatūra: Stabilāku un mērogojamu kvantu datoru izstrāde ar palielinātu kubitu skaitu un uzlabotiem koherences laikiem.
• Uzlabota kļūdu labošana: Sarežģītāku kvantu kļūdu labošanas kodu ieviešana, lai samazinātu trokšņa ietekmi.
• Hibrīda algoritmi: Kvantu un klasisko algoritmu apvienošana, lai izmantotu abu pieeju stiprās puses.
• Kvantu mākoņpakalpojumi: Piekļuves paplašināšana kvantu skaitļošanas resursiem, izmantojot mākoņpakalpojumu platformas.
• Kvantu izglītība: Izglītības programmu un resursu izstrāde, lai apmācītu nākamo kvantu zinātnieku un inženieru paaudzi.

Noslēgums

Kvantu programmēšana ar Qiskit piedāvā spēcīgu vārtu uz aizraujošo kvantu skaitļošanas pasauli. Tā atvērtā pirmkoda daba, uz Python balstītā saskarne un visaptverošais rīku komplekts padara to par ideālu platformu mācībām, eksperimentiem un inovācijām. Kvantu aparatūrai turpinot attīstīties, Qiskit spēlēs arvien nozīmīgāku lomu kvantu skaitļošanas potenciāla atraisīšanā un nozaru pārveidē visā pasaulē.

Neatkarīgi no tā, vai esat students, pētnieks, izstrādātājs vai biznesa profesionālis, tagad ir īstais laiks izpētīt kvantu programmēšanas iespējas ar Qiskit un kļūt par daļu no šīs revolucionārās jomas. Globālās iespējas ir milzīgas, un skaitļošanas nākotne neapšaubāmi ir kvantu.