M

MLOG

ไทย

สำรวจการเขียนโปรแกรมควอนตัมด้วย Qiskit ซึ่งเป็น SDK โอเพนซอร์สของ IBM เรียนรู้พื้นฐาน แนวคิดขั้นสูง และการประยุกต์ใช้จริงในอุตสาหกรรมต่างๆ ทั่วโลก

การเขียนโปรแกรมควอนตัมด้วย Qiskit: บทนำสำหรับทั่วโลก

การคำนวณควอนตัม ซึ่งครั้งหนึ่งเคยเป็นเพียงแนวคิดทางทฤษฎี กำลังเปลี่ยนผ่านไปสู่ความเป็นจริงที่จับต้องได้อย่างรวดเร็ว ศาสตร์แขนงใหม่นี้มีแนวโน้มที่จะปฏิวัติอุตสาหกรรมต่างๆ ตั้งแต่การแพทย์และวัสดุศาสตร์ไปจนถึงการเงินและปัญญาประดิษฐ์ ในขณะที่ฮาร์ดแวร์กำลังเติบโตขึ้น จุดสนใจก็ได้เปลี่ยนไปสู่การพัฒนาซอฟต์แวร์ และ Qiskit ซึ่งเป็น SDK การเขียนโปรแกรมควอนตัมแบบโอเพนซอร์สของ IBM ก็กำลังอยู่ในแถวหน้าของการปฏิวัติครั้งนี้

การคำนวณควอนตัมคืออะไร?

คอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิมเก็บข้อมูลเป็นบิตซึ่งแทนค่า 0 หรือ 1 แต่คอมพิวเตอร์ควอนตัมใช้ควอนตัมบิต หรือ คิวบิต (qubits) คิวบิตสามารถอยู่ในสถานะซ้อนทับกันได้ หมายความว่าสามารถแทนค่า 0, 1 หรือทั้งสองอย่างรวมกันได้ในเวลาเดียวกัน นอกจากนี้ คอมพิวเตอร์ควอนตัมยังใช้ปรากฏการณ์ต่างๆ เช่น การพัวพัน (entanglement) และการแทรกสอดเชิงควอนตัม (quantum interference) เพื่อทำการคำนวณในรูปแบบที่แตกต่างจากคอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิมโดยสิ้นเชิง สิ่งนี้ทำให้สามารถแก้ปัญหาบางอย่างที่แม้แต่ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่ทรงพลังที่สุดก็ไม่สามารถทำได้

แนวคิดสำคัญที่ควรทำความเข้าใจ ได้แก่:

ขอแนะนำ Qiskit: ประตูสู่การเขียนโปรแกรมควอนตัมของคุณ

Qiskit (Quantum Information Science Kit) คือเฟรมเวิร์กโอเพนซอร์สที่พัฒนาโดย IBM เพื่อจัดหาเครื่องมือสำหรับการเขียนโปรแกรมควอนตัม การจำลอง และการทดลอง Qiskit สร้างขึ้นบน Python ทำให้มีอินเทอร์เฟซที่ใช้งานง่ายสำหรับการออกแบบและรันวงจรควอนตัมบนฮาร์ดแวร์ควอนตัมจริงหรือบนซิมูเลเตอร์ การออกแบบแบบโมดูลช่วยให้ผู้ใช้สามารถมุ่งเน้นไปที่แง่มุมเฉพาะของการคำนวณควอนตัม ตั้งแต่การออกแบบวงจรไปจนถึงการพัฒนาอัลกอริทึม

คุณสมบัติที่สำคัญของ Qiskit:

เริ่มต้นกับ Qiskit: ตัวอย่างการใช้งานจริง

เรามาดูตัวอย่างง่ายๆ ของการสร้างสถานะเบลล์ (Bell state) โดยใช้ Qiskit กัน ตัวอย่างนี้สาธิตการสร้างวงจรควอนตัม การใช้เกตควอนตัม และการจำลองวงจรเพื่อสังเกตผลลัพธ์

สิ่งที่ต้องมี:

ตัวอย่างโค้ด:

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

# สร้างวงจรควอนตัมที่มี 2 คิวบิต และ 2 บิตคลาสสิก
circuit = QuantumCircuit(2, 2)

# เพิ่ม Hadamard gate ให้กับคิวบิตแรก
circuit.h(0)

# ใช้ CNOT (CX) gate เพื่อทำให้คิวบิตทั้งสองพัวพันกัน
circuit.cx(0, 1)

# วัดค่าคิวบิต
circuit.measure([0, 1], [0, 1])

# ใช้ qasm_simulator ของ Aer
simulator = Aer.get_backend('qasm_simulator')

# คอมไพล์วงจรสำหรับซิมูเลเตอร์
compiled_circuit = transpile(circuit, simulator)

# ประมวลผลวงจรบนซิมูเลเตอร์
job = execute(compiled_circuit, simulator, shots=1000)

# รับผลลัพธ์จากการประมวลผล
result = job.result()

# รับจำนวนครั้งที่แต่ละผลลัพธ์ปรากฏ
counts = result.get_counts(compiled_circuit)
print("\nTotal counts are:", counts)

# แสดงผลลัพธ์เป็นภาพด้วยฮิสโตแกรม
# plot_histogram(counts)

คำอธิบาย:

  1. เรานำเข้าโมดูลที่จำเป็นจาก Qiskit
  2. เราสร้าง QuantumCircuit ที่มีสองคิวบิตและสองบิตคลาสสิก บิตคลาสสิกใช้สำหรับเก็บผลลัพธ์การวัดค่า
  3. เราใช้ Hadamard gate (h) กับคิวบิตแรก เพื่อให้มันอยู่ในสถานะซ้อนทับของ 0 และ 1
  4. เราใช้ CNOT gate (cx) โดยให้คิวบิตแรกเป็นตัวควบคุมและคิวบิตที่สองเป็นเป้าหมาย เพื่อทำให้คิวบิตทั้งสองพัวพันกัน
  5. เราวัดค่าคิวบิตทั้งสองและเก็บผลลัพธ์ไว้ในบิตคลาสสิก
  6. เราใช้ qasm_simulator จาก Qiskit Aer เพื่อจำลองวงจร
  7. เราคอมไพล์และรันวงจร โดยระบุจำนวน 'shots' (จำนวนครั้งที่ทำซ้ำ) สำหรับการจำลอง
  8. เราดึงผลลัพธ์และพิมพ์จำนวนครั้งที่แต่ละผลลัพธ์ที่เป็นไปได้ (00, 01, 10, 11) เกิดขึ้น
  9. ฟังก์ชัน plot_histogram (ที่คอมเมนต์ไว้) สามารถใช้เพื่อแสดงผลลัพธ์เป็นภาพฮิสโตแกรมได้

ตัวอย่างง่ายๆ นี้แสดงให้เห็นถึงขั้นตอนพื้นฐานที่เกี่ยวข้องกับการเขียนโปรแกรมควอนตัมด้วย Qiskit: การสร้างวงจร, การใช้เกต, การวัดค่าคิวบิต และการจำลองวงจร คุณจะเห็นว่าผลลัพธ์ "00" และ "11" จะถูกสังเกตเห็นประมาณ 50% ของแต่ละผลลัพธ์ ในขณะที่ "01" และ "10" แทบจะไม่ถูกสังเกตเห็นเลย ซึ่งแสดงให้เห็นถึงการพัวพันของคิวบิตทั้งสอง

แนวคิดขั้นสูงของ Qiskit

นอกเหนือจากพื้นฐานแล้ว Qiskit ยังมีคุณสมบัติขั้นสูงมากมายสำหรับการจัดการกับปัญหาควอนตัมที่ซับซ้อนยิ่งขึ้น ซึ่งรวมถึง:

อัลกอริทึมควอนตัม

Qiskit Aqua มีไลบรารีของอัลกอริทึมควอนตัมที่สร้างไว้ล่วงหน้า เช่น:

การแก้ไขข้อผิดพลาดควอนตัม

โดยธรรมชาติแล้ว คอมพิวเตอร์ควอนตัมมีสัญญาณรบกวน ทำให้การแก้ไขข้อผิดพลาดควอนตัมมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการคำนวณที่เชื่อถือได้ Qiskit Ignis มีเครื่องมือสำหรับระบุลักษณะและลดสัญญาณรบกวน รวมถึงการนำรหัสแก้ไขข้อผิดพลาดไปใช้ นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยต่างๆ ทั่วโลก (เช่น University of Waterloo ในแคนาดา, Delft University of Technology ในเนเธอร์แลนด์) กำลังทำงานอย่างแข็งขันเพื่อพัฒนาและนำเทคนิคการแก้ไขข้อผิดพลาดควอนตัมใหม่ๆ มาใช้โดยใช้ Qiskit

การจำลองแบบควอนตัม

Qiskit สามารถใช้ในการจำลองระบบควอนตัม ทำให้นักวิจัยสามารถศึกษาพฤติกรรมของโมเลกุล วัสดุ และปรากฏการณ์ควอนตัมอื่นๆ ได้ สิ่งนี้มีการประยุกต์ใช้ในการค้นพบยา การออกแบบวัสดุ และการวิจัยทางวิทยาศาสตร์พื้นฐาน ตัวอย่างเช่น นักวิทยาศาสตร์ในญี่ปุ่นกำลังใช้ Qiskit เพื่อจำลองพฤติกรรมของวัสดุตัวนำยิ่งยวดชนิดใหม่

การเรียนรู้ของเครื่องเชิงควอนตัม

การเรียนรู้ของเครื่องเชิงควอนตัมเป็นการสำรวจศักยภาพของคอมพิวเตอร์ควอนตัมในการปรับปรุงอัลกอริทึมการเรียนรู้ของเครื่อง Qiskit มีเครื่องมือสำหรับสร้างและฝึกฝนโมเดลการเรียนรู้ของเครื่องเชิงควอนตัม ซึ่งอาจมีประสิทธิภาพเหนือกว่าอัลกอริทึมการเรียนรู้ของเครื่องแบบคลาสสิกในบางงาน ตัวอย่างเช่น ธนาคารในสวิตเซอร์แลนด์กำลังตรวจสอบการใช้การเรียนรู้ของเครื่องเชิงควอนตัมเพื่อตรวจจับการฉ้อโกง

การประยุกต์ใช้การเขียนโปรแกรมควอนตัมด้วย Qiskit ในโลกแห่งความเป็นจริง

การประยุกต์ใช้การเขียนโปรแกรมควอนตัมด้วย Qiskit นั้นกว้างขวางและครอบคลุมอุตสาหกรรมต่างๆ มากมาย นี่คือตัวอย่างบางส่วน:

โครงการริเริ่มควอนตัมระดับโลกและบทบาทของ Qiskit

การคำนวณควอนตัมเป็นความพยายามระดับโลก โดยมีการลงทุนและโครงการวิจัยที่สำคัญในหลายประเทศ โครงการริเริ่มเหล่านี้กำลังส่งเสริมความร่วมมือ ขับเคลื่อนนวัตกรรม และเร่งการพัฒนาเทคโนโลยีควอนตัม

ตัวอย่างของโครงการริเริ่มควอนตัมระดับโลก ได้แก่:

Qiskit มีบทบาทสำคัญในโครงการริเริ่มเหล่านี้โดยการเป็นแพลตฟอร์มกลางสำหรับนักวิจัย นักพัฒนา และนักศึกษาในการเรียนรู้ ทดลอง และทำงานร่วมกันในการเขียนโปรแกรมควอนตัม ลักษณะที่เป็นโอเพนซอร์สและชุมชนที่กระตือรือร้นทำให้เป็นเครื่องมือที่เหมาะสำหรับการส่งเสริมนวัตกรรมและเร่งการพัฒนาเทคโนโลยีควอนตัมทั่วโลก

แหล่งข้อมูลการเรียนรู้และการมีส่วนร่วมกับชุมชน

มีแหล่งข้อมูลมากมายสำหรับบุคคลและองค์กรที่สนใจเรียนรู้ Qiskit และมีส่วนร่วมกับชุมชนการคำนวณควอนตัม:

ความท้าทายและทิศทางในอนาคต

แม้ว่าการคำนวณควอนตัมจะมีศักยภาพมหาศาล แต่ก็ยังเผชิญกับความท้าทายหลายประการ:

แม้จะมีความท้าทายเหล่านี้ แต่สาขาการคำนวณควอนตัมก็กำลังก้าวหน้าอย่างรวดเร็ว ทิศทางในอนาคต ได้แก่:

สรุป

การเขียนโปรแกรมควอนตัมด้วย Qiskit เป็นประตูที่ทรงพลังสู่โลกอันน่าตื่นเต้นของการคำนวณควอนตัม ลักษณะที่เป็นโอเพนซอร์ส อินเทอร์เฟซที่ใช้ Python และชุดเครื่องมือที่ครอบคลุมทำให้เป็นแพลตฟอร์มที่เหมาะสำหรับการเรียนรู้ การทดลอง และนวัตกรรม ในขณะที่ฮาร์ดแวร์ควอนตัมยังคงพัฒนาอย่างต่อเนื่อง Qiskit จะมีบทบาทสำคัญมากขึ้นในการปลดล็อกศักยภาพของการคำนวณควอนตัมและเปลี่ยนแปลงอุตสาหกรรมต่างๆ ทั่วโลก

ไม่ว่าคุณจะเป็นนักเรียน นักวิจัย นักพัฒนา หรือนักธุรกิจ ตอนนี้คือเวลาที่จะสำรวจความเป็นไปได้ของการเขียนโปรแกรมควอนตัมด้วย Qiskit และร่วมเป็นส่วนหนึ่งของสาขาที่ปฏิวัติวงการนี้ โอกาสระดับโลกนั้นมีอยู่มหาศาล และอนาคตของการคำนวณก็คือควอนตัมอย่างไม่ต้องสงสัย