Kvantno programiranje s Qiskit: Globalni uvod

Kvantno računalništvo, ki je bilo nekoč teoretični koncept, hitro postaja otipljiva resničnost. To porajajoče se področje obeta revolucijo v panogah, od medicine in znanosti o materialih do financ in umetne inteligence. Z zorenjem strojne opreme se poudarek premika k razvoju programske opreme, in Qiskit, IBM-ov odprtokodni SDK za kvantno programiranje, je v ospredju te revolucije.

Kaj je kvantno računalništvo?

Za razliko od klasičnih računalnikov, ki shranjujejo informacije kot bite, ki predstavljajo 0 ali 1, kvantni računalniki uporabljajo kvantne bite ali kubite. Kubiti lahko obstajajo v superpoziciji stanj, kar pomeni, da lahko hkrati predstavljajo 0, 1 ali kombinacijo obeh. Poleg tega kvantni računalniki uporabljajo pojave, kot sta prepletenost in kvantna interferenca, za izvajanje izračunov na bistveno drugačne načine kot klasični računalniki. To jim omogoča, da potencialno rešujejo določene probleme, ki so nerešljivi tudi za najmočnejše superračunalnike.

Ključni koncepti, ki jih je treba razumeti, vključujejo:

Superpozicija: Kubit, ki obstaja v več stanjih hkrati.
Prepletenost: Dva ali več kubitov, povezanih tako, da stanje enega takoj vpliva na stanje drugih, ne glede na razdaljo med njimi.
Kvantna interferenca: Manipuliranje verjetnosti različnih računskih poti za povečanje verjetnosti pravilnega odgovora.

Predstavljamo Qiskit: Vaša vrata v kvantno programiranje

Qiskit (Quantum Information Science Kit) je odprtokodno ogrodje, ki ga je razvil IBM za zagotavljanje orodij za kvantno programiranje, simulacijo in izvajanje eksperimentov. Zgrajen na osnovi Pythona, Qiskit ponuja uporabniku prijazen vmesnik za načrtovanje in izvajanje kvantnih vezij na resnični kvantni strojni opremi ali simulatorjih. Njegova modularna zasnova omogoča uporabnikom, da se osredotočijo na specifične vidike kvantnega računalništva, od načrtovanja vezij do razvoja algoritmov.

Ključne značilnosti Qiskita:

Odprta koda: Qiskit je prosto dostopen in spodbuja prispevke skupnosti, s čimer se pospešujejo inovacije in sodelovanje.
Temelji na Pythonu: Z izkoriščanjem priljubljenosti in obsežnih knjižnic Pythona Qiskit ponuja razvijalcem znano okolje.
Modularna arhitektura: Qiskit je organiziran v module, od katerih vsak obravnava specifične vidike kvantnega računalništva:

Qiskit Terra: Temelj Qiskita, ki zagotavlja osnovne gradnike za kvantna vezja in algoritme.
Qiskit Aer: Visoko zmogljiv simulator kvantnih vezij, ki uporabnikom omogoča testiranje in odpravljanje napak v njihovih kvantnih programih.
Qiskit Ignis: Orodja za karakterizacijo in zmanjševanje šuma v kvantnih napravah.
Qiskit Aqua: Knjižnica kvantnih algoritmov za različne aplikacije, vključno s kemijo, optimizacijo in strojnim učenjem.

Dostop do strojne opreme: Qiskit omogoča uporabnikom, da svoje programe izvajajo na IBM-ovih kvantnih računalnikih prek oblaka, kar zagotavlja dostop do najsodobnejše kvantne strojne opreme.
Podpora skupnosti: Živahna in aktivna skupnost raziskovalcev, razvijalcev in navdušencev zagotavlja podporo, vire in izobraževalna gradiva.

Prvi koraki s Qiskitom: Praktičen primer

Oglejmo si preprost primer ustvarjanja Bellovega stanja z uporabo Qiskita. Ta primer prikazuje ustvarjanje kvantnega vezja, uporabo kvantnih vrat in simulacijo vezja za opazovanje rezultatov.

Predpogoji:

Python 3.6 ali novejši
Nameščen Qiskit (z uporabo pip install qiskit)

Primer kode:

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

# Ustvarite kvantno vezje z 2 kubitoma in 2 klasičnima bitoma
circuit = QuantumCircuit(2, 2)

# Dodajte Hadamardova vrata na prvi kubit
circuit.h(0)

# Uporabite vrata CNOT (CX), s čimer prepletete oba kubita
circuit.cx(0, 1)

# Izmerite kubita
circuit.measure([0, 1], [0, 1])

# Uporabite Aer-ov qasm_simulator
simulator = Aer.get_backend('qasm_simulator')

# Prevedite vezje za simulator
compiled_circuit = transpile(circuit, simulator)

# Izvedite vezje na simulatorju
job = execute(compiled_circuit, simulator, shots=1000)

# Pridobite rezultate izvajanja
result = job.result()

# Pridobite števce, kolikokrat se je pojavil vsak rezultat
counts = result.get_counts(compiled_circuit)
print("\nSkupno število meritev je:", counts)

# Vizualizirajte rezultate s histogramom
# plot_histogram(counts)

Razlaga:

Uvozimo potrebne module iz Qiskita.
Ustvarimo QuantumCircuit z dvema kubitoma in dvema klasičnima bitoma. Klasični biti se uporabljajo za shranjevanje rezultatov meritev.
Na prvi kubit uporabimo Hadamardova vrata (h), s čimer ga postavimo v superpozicijo 0 in 1.
Uporabimo vrata CNOT (cx), pri čemer je prvi kubit kontrolni, drugi pa ciljni, s čimer prepletemo oba kubita.
Izmerimo oba kubita in rezultate shranimo v klasične bite.
Za simulacijo vezja uporabimo qasm_simulator iz Qiskit Aer.
Prevedemo in izvedemo vezje, pri čemer določimo število 'poskusov' (ponovitev) za simulacijo.
Pridobimo rezultate in izpišemo števce, ki prikazujejo, kolikokrat se je pojavil vsak možen izid (00, 01, 10, 11).
Funkcija plot_histogram (komentirana) se lahko uporabi za vizualizacijo rezultatov v obliki histograma.

Ta preprost primer prikazuje osnovne korake kvantnega programiranja s Qiskitom: ustvarjanje vezja, uporaba vrat, merjenje kubitov in simulacija vezja. Opazili boste, da se izida "00" in "11" pojavita približno 50 % vsak, medtem ko se "01" in "10" praktično ne pojavita, kar ponazarja prepletenost obeh kubitov.

Napredni koncepti Qiskita

Poleg osnov Qiskit ponuja bogastvo naprednih funkcij za reševanje bolj zapletenih kvantnih problemov. Te vključujejo:

Kvantni algoritmi

Qiskit Aqua ponuja knjižnico vnaprej pripravljenih kvantnih algoritmov, kot so:

Variational Quantum Eigensolver (VQE): Uporablja se za iskanje energije osnovnega stanja molekul, z aplikacijami v kemiji in znanosti o materialih. Raziskovalci v Nemčiji bi na primer lahko uporabili VQE za optimizacijo zasnove novih katalizatorjev.
Quantum Approximate Optimization Algorithm (QAOA): Uporablja se za reševanje kombinatoričnih optimizacijskih problemov, kot je problem potujočega trgovca. Logistično podjetje v Singapurju bi lahko potencialno uporabilo QAOA za optimizacijo dostavnih poti.
Groverjev algoritem: Kvantni iskalni algoritem, ki lahko zagotovi kvadratično pohitritev v primerjavi s klasičnimi iskalnimi algoritmi. Podjetje za podatkovne baze v Združenih državah bi lahko uporabilo Groverjev algoritem za pospešitev iskanja podatkov.
Kvantna Fourierova transformacija (QFT): Temeljni algoritem, ki se uporablja v mnogih kvantnih algoritmih, vključno s Shorovim algoritmom za faktorizacijo velikih števil.

Kvantno odpravljanje napak

Kvantni računalniki so po naravi šumni, zato je kvantno odpravljanje napak ključnega pomena za zanesljivo računanje. Qiskit Ignis ponuja orodja za karakterizacijo in zmanjševanje šuma ter za implementacijo kod za odpravljanje napak. Raziskovalci na univerzah po vsem svetu (npr. Univerza v Waterlooju v Kanadi, Tehnološka univerza v Delftu na Nizozemskem) aktivno delajo na razvoju in implementaciji novih tehnik kvantnega odpravljanja napak z uporabo Qiskita.

Kvantna simulacija

Qiskit se lahko uporablja za simulacijo kvantnih sistemov, kar raziskovalcem omogoča preučevanje obnašanja molekul, materialov in drugih kvantnih pojavov. To ima aplikacije pri odkrivanju zdravil, oblikovanju materialov in temeljnih znanstvenih raziskavah. Znanstveniki na Japonskem na primer uporabljajo Qiskit za simulacijo obnašanja novih superprevodnih materialov.

Kvantno strojno učenje

Kvantno strojno učenje raziskuje potencial kvantnih računalnikov za izboljšanje algoritmov strojnega učenja. Qiskit ponuja orodja za gradnjo in usposabljanje kvantnih modelov strojnega učenja, ki bi lahko pri določenih nalogah presegli klasične algoritme strojnega učenja. Banke v Švici na primer preiskujejo uporabo kvantnega strojnega učenja za odkrivanje goljufij.

Uporaba kvantnega programiranja s Qiskitom v resničnem svetu

Aplikacije kvantnega programiranja s Qiskitom so obsežne in zajemajo številne industrije. Tukaj je nekaj primerov:

Odkrivanje zdravil: Simulacija molekularnih interakcij za pospešitev odkrivanja novih zdravil in terapij. Farmacevtske družbe po vsem svetu (npr. Roche v Švici, Pfizer v ZDA) raziskujejo kvantne simulacije za oblikovanje boljših kandidatov za zdravila.
Znanost o materialih: Oblikovanje novih materialov s specifičnimi lastnostmi, kot so superprevodniki ali visoko zmogljivi polimeri. Raziskovalci v Južni Koreji uporabljajo kvantne simulacije za razvoj novih materialov za baterije.
Finance: Optimizacija naložbenih portfeljev, odkrivanje goljufij in razvoj novih finančnih modelov. Finančne institucije v Združenem kraljestvu preiskujejo kvantne algoritme za upravljanje tveganj.
Logistika: Optimizacija dostavnih poti in upravljanje dobavne verige. Podjetja, kot sta DHL in FedEx, raziskujejo potencial kvantnega računalništva za racionalizacijo svojih operacij.
Umetna inteligenca: Razvoj močnejših algoritmov strojnega učenja. Google in Microsoft aktivno raziskujeta kvantno strojno učenje.

Globalne kvantne iniciative in vloga Qiskita

Kvantno računalništvo je globalno prizadevanje z znatnimi naložbami in raziskovalnimi iniciativami v številnih državah. Te iniciative spodbujajo sodelovanje, poganjajo inovacije in pospešujejo razvoj kvantnih tehnologij.

Primeri globalnih kvantnih iniciativ vključujejo:

Kvantna vodilna iniciativa (Evropska unija): Iniciativa v vrednosti 1 milijarde evrov za podporo kvantnim raziskavam in razvoju po vsej Evropi.
Nacionalna kvantna iniciativa (Združene države): Nacionalna strategija za pospešitev kvantnih raziskav in razvoja.
Strategija za kvantno tehnologijo in inovacije (Združeno kraljestvo): Strategija za pozicioniranje Združenega kraljestva kot vodilne države na področju kvantnih tehnologij.
Kanadska nacionalna kvantna strategija: Strateški okvir za spodbujanje kvantnih tehnologij in inovacij v Kanadi.
Avstralski načrt za kvantne tehnologije: Načrt za vzpostavitev Avstralije kot globalnega voditelja na področju kvantnih tehnologij.
Japonska strategija za inovacije v kvantni tehnologiji: Celovita strategija za spodbujanje inovacij na področju kvantne tehnologije.

Qiskit igra ključno vlogo v teh iniciativah, saj zagotavlja skupno platformo za raziskovalce, razvijalce in študente za učenje, eksperimentiranje in sodelovanje pri kvantnem programiranju. Njegova odprtokodna narava in aktivna skupnost ga delata za idealno orodje za spodbujanje inovacij in pospeševanje razvoja kvantnih tehnologij po vsem svetu.

Učni viri in vključevanje v skupnost

Na voljo so številni viri za posameznike in organizacije, ki se zanimajo za učenje Qiskita in sodelovanje s skupnostjo kvantnega računalništva:

Dokumentacija Qiskit: Uradna dokumentacija Qiskit ponuja celovite informacije o vseh vidikih ogrodja.
Vadnice Qiskit: Zbirka vadnic, ki pokrivajo različne koncepte kvantnega programiranja in funkcije Qiskita.
Učbenik Qiskit: Celovit učbenik o kvantnem računalništvu in kvantnem programiranju s Qiskitom.
Kanal Qiskit na Slacku: Forum skupnosti za postavljanje vprašanj, izmenjavo znanja in povezovanje z drugimi uporabniki Qiskita.
Globalna poletna šola Qiskit: Letna poletna šola, ki ponuja intenzivno usposabljanje iz kvantnega računalništva in programiranja s Qiskitom.
Program Qiskit Advocate: Program, ki prepoznava in podpira posameznike, ki prispevajo k skupnosti Qiskit.
IBM Quantum Experience: Platforma v oblaku, ki omogoča dostop do IBM-ovih kvantnih računalnikov in simulatorjev.

Izzivi in prihodnje usmeritve

Čeprav ima kvantno računalništvo ogromen potencial, se sooča tudi z več izzivi:

Omejitve strojne opreme: Gradnja in vzdrževanje stabilnih in razširljivih kvantnih računalnikov je velik inženirski izziv.
Kvantno odpravljanje napak: Razvoj učinkovitih tehnik za kvantno odpravljanje napak je ključnega pomena za zanesljivo računanje.
Razvoj algoritmov: Odkrivanje novih kvantnih algoritmov, ki lahko presegajo klasične algoritme pri praktičnih problemih, je nenehno prizadevanje.
Razvoj programske opreme: Ustvarjanje robustnih in uporabniku prijaznih orodij in okolij za kvantno programiranje je bistveno za širšo uporabo.
Vrzeli v talentih: Usposabljanje in izobraževanje usposobljene delovne sile na področju kvantnega računalništva je ključno za prihodnost področja.

Kljub tem izzivom področje kvantnega računalništva hitro napreduje. Prihodnje usmeritve vključujejo:

Izboljšana strojna oprema: Razvoj bolj stabilnih in razširljivih kvantnih računalnikov z večjim številom kubitov in izboljšanimi koherenčnimi časi.
Napredno odpravljanje napak: Implementacija bolj sofisticiranih kod za kvantno odpravljanje napak za zmanjšanje vpliva šuma.
Hibridni algoritmi: Združevanje kvantnih in klasičnih algoritmov za izkoriščanje prednosti obeh pristopov.
Kvantne storitve v oblaku: Širjenje dostopa do virov kvantnega računalništva prek platform v oblaku.
Kvantno izobraževanje: Razvoj izobraževalnih programov in virov za usposabljanje naslednje generacije kvantnih znanstvenikov in inženirjev.

Zaključek

Kvantno programiranje s Qiskitom ponuja mogočna vrata v vznemirljivi svet kvantnega računalništva. Njegova odprtokodna narava, vmesnik, ki temelji na Pythonu, in obsežen nabor orodij ga delajo za idealno platformo za učenje, eksperimentiranje in inovacije. Ker kvantna strojna oprema še naprej zori, bo Qiskit igral vse pomembnejšo vlogo pri sproščanju potenciala kvantnega računalništva in preoblikovanju industrij po vsem svetu.

Ne glede na to, ali ste študent, raziskovalec, razvijalec ali poslovni strokovnjak, je zdaj čas, da raziščete možnosti kvantnega programiranja s Qiskitom in postanete del tega revolucionarnega področja. Globalne priložnosti so ogromne, prihodnost računalništva pa je nedvomno kvantna.