Въведение в квантовите изчисления с Open Circ Framework

Тъй като заглавието подсказва какво ще започнем да обсъждаме, тази статия е опит да разберем докъде сме стигнали в Quantum Computing и къде сме начело на терена, за да ускорим научните и технологични изследвания, чрез перспектива с отворен код с Cirq.

Първо, ще ви запознаем със света на Quantum Computing. Ще се постараем да обясним основната идея зад същото, преди да разгледаме как Cirq ще играе значителна роля в бъдещето на Quantum Computing. Cirq, както може би сте чували отскоро, е в новините в тази област и в тази статия от Open Science, ще се опитаме да разберем защо.

Преди да започнем с това, което е квантово изчисление, е от съществено значение да се запознаем с термина Quantum, т.е. субатомна частица, отнасяща се до най-малката известна единица. Думата Quantum се основава на латинската дума Quantus, която означава "колко малко", както е описано в този кратък видеоклип:

За нас ще бъде по-лесно да разберем квантовото изчисление, като го сравним първо с класическото изчисление. Класическото изчисление се отнася до това, как днешните конвенционални компютри са проектирани да работят. Устройството, с което четете тази статия в момента, може също да бъде наричано Класическо изчислително устройство.

Класически изчисления

Класически компютри е просто друг начин да опишете как работи конвенционалният компютър. Те работят чрез двоична система, т.е. информацията се съхранява с помощта на 1 или 0. Нашите класически компютри не могат да разберат друга форма.

В буквален смисъл вътре в компютъра транзистор може да бъде или на (1), или на изключен (0). Каквато и информация да предоставяме, се превежда в 0s и 1s, така че компютърът да може да разбира и съхранява тази информация. Всичко е представено само с помощта на комбинация от 0s и 1s.

Квантови изчисления

Квантовите изчисления, от друга страна, не следват модел „включване или изключване“ като „Класически изчисления“. Вместо това, той може едновременно да обработва множество информационни състояния с помощта на две явления, наречени налагане и заплитане, като по този начин ускорява изчисленията на много по-бързи темпове и също така улеснява по-голямата производителност при съхранението на информация.

Имайте предвид, че суперпозицията и заплитането не са едно и също явление.

Така че, ако имаме битове в класическото изчисление, тогава в случая с квантовите изчисления вместо това ще имаме кубити (или квантови бита). За да научите повече за огромната разлика между двете, проверете тази страница, откъдето е получена горната снимка за обяснение.

Quantum Computers няма да замени нашите класически компютри. Но има някои огромни задачи, които нашите класически компютри никога няма да могат да постигнат и това е, когато Quantum Computers ще се окаже изключително изобретателен. Следното видео описва същото подробно, като същевременно описва как работят Quantum Computers:

Цялостно видео за напредъка на квантовите компютри досега:

Шумна междинна квантова скала

Съгласно наскоро актуализираната статия за изследване (31 юли 2018 г.) терминът "шум" се отнася до неточност, дължаща се на погрешна стойност, причинена от несъвършен контрол над кубитите. Тази неточност е причината да има сериозни ограничения на това, което устройствата Quantum могат да постигнат в близко бъдеще.

"Междинна скала" се отнася до размера на Quantum Computers, който ще бъде наличен през следващите няколко години, където броят на кубитите може да варира от 50 до няколко стотин. 50 кубита е важен етап, защото това е отвъд това, което може да се симулира чрез груба сила, използвайки най-мощните съществуващи цифрови суперкомпютри. Прочетете повече в статията тук.

С навлизането на Cirq много предстои да се промени.

Какво е Cirq?

Cirq е python рамка за създаване, редактиране и извикване на Noisy Intermediate Scale Quantum (NISQ) схеми, за които току-що говорихме. С други думи, Cirq може да се справи с предизвикателствата, за да подобри точността и да намали шума в Quantum Computing.

Cirq не изисква непременно действително Quantum компютър за изпълнение. Cirq може също да използва подобен на симулатор интерфейс, за да изпълнява симулации на квантовата схема.

Cirq постепенно грабва много темпове, като един от първите му потребители е Zapata, сформирана миналата година от група учени от Харвардския университет, фокусирана върху Quantum Computing.

Първи стъпки с Cirq на Linux

Разработчиците на библиотеката с отворен код Cirq препоръчват инсталацията във виртуална среда на python като virtualenv. Ръководството за инсталиране на разработчиците за Linux може да се намери тук.

Въпреки това успешно инсталирахме и тествахме Cirq директно за Python3 на система Ubuntu 16.04 чрез следните стъпки:

Инсталиране на Cirq на Ubuntu

Първо, ние ще изискваме pip или pip3 да инсталираме Cirq. Pip е инструмент, който се препоръчва за инсталиране и управление на пакети на Python.

За Python 3.x версии, Pip може да се инсталира с:

sudo apt-get install python3-pip 

Пакетите на Python3 могат да се инсталират чрез:

 pip3 install 

Отидохме напред и инсталирахме библиотеката Cirq с Pip3 за Python3:

 pip3 install cirq 

Разрешаване на генерирането на графики и PDF (по избор)

Незадължителните системни зависимости, които не могат да се инсталират с pip, могат да се инсталират с:

 sudo apt-get install python3-tk texlive-latex-base latexmk 
  • python3-tk е собствена графична библиотека на Python, която дава възможност за нанасяне на графики.
  • texlive-latex-base и latexmk позволяват функцията за писане на PDF файлове.

По-късно успешно тествахме Cirq със следната команда и код:

 python3 -c 'import cirq; print(cirq.google.Foxtail)' 

Получихме получения резултат като:

Конфигуриране на Pycharm IDE за Cirq

Също така конфигурирахме Python IDE PyCharm на Ubuntu да тества същите резултати:

След като инсталирахме Cirq за Python3 на нашата Linux система, зададохме пътя на интерпретатора на проекта в настройките на IDE да бъде:

 /usr/bin/python3 

В горния изход можете да отбележите, че пътят към интерпретатора на проекта, който току-що зададохме, се показва заедно с пътя до файла на тестовата програма (test.py). Изходен код от 0 показва, че програмата е завършила успешно без грешки.

Така че, това е готова за използване среда на IDE, където можете да импортирате библиотеката Cirq, за да стартирате програмирането с Python и да симулирате Quantum вериги.

Започнете с Cirq

Добро място за започване са примерите, които са били предоставени на страницата на Cirq в Github.

Разработчиците са включили този урок на GitHub, за да започнат да учат Cirq. Ако сте сериозни в изучаването на Quantum Computing, те препоръчват отлична книга, наречена „Квантово изчисление и квантова информация“ от Нилсен и Чуан.

OpenFermion-Cirq

OpenFermion е библиотека с отворен код за получаване и манипулиране на представяния на фермионни системи (включително Quantum Chemistry) за симулация на Quantum Computers. Фермионните системи са свързани с генерирането на фермиони, които според физиката на частиците следват статистиката на Ферми-Дирак.

OpenFermion е приветстван като чудесен инструмент за практикуване на химици и изследователи, занимаващи се с квантовата химия. Основният фокус на квантовата химия е приложението на квантовата механика във физическите модели и експериментите на химическите системи. Квантовата химия се нарича още молекулярна квантова механика.

Появата на Cirq вече дава възможност OpenFermion да разшири функционалността си, като предостави рутинни процедури и инструменти за използване на Cirq за компилиране и съставяне на схеми за алгоритми за квантова симулация.

Google Bristlecone

На 5 март, 2018, Google представи Bristlecone, техния нов процесор Quantum, на годишната среща на Американското физическо общество в Лос Анджелис. Свръхпроводящата система, базирана на порта, осигурява тестова платформа за изследване на системните грешки и скалируемостта на кубит технологията на Google, заедно с приложенията в квантовата симулация, оптимизация и машинно обучение.

В близко бъдеще Google иска да направи своя облак от процесорен кварцетен процесор с 72 кубита. Bristlecone постепенно ще стане напълно способен да изпълни задача, която класически суперкомпютър няма да може да изпълни за разумно време.

Cirq ще направи по-лесно за изследователите директно да пишат програми за Bristlecone в облака, служейки като много удобен интерфейс за квантово програмиране и тестване в реално време.

Cirq ще ни позволи да:

  • Фина настройка за контрол на квантовите вериги,
  • Укажете поведението на порта с помощта на родните портали,
  • Поставете портите по подходящ начин в устройството &
  • Напишете графика на тези врати.

Отворената научна перспектива на Cirq

Както всички знаем, Cirq е отворен код на GitHub, неговото допълнение към научните общности с отворен код, особено тези, които са фокусирани върху Quantum Research, сега могат ефективно да си сътрудничат за решаване на настоящите предизвикателства днес в Quantum Computing чрез разработване на нови начини за намаляване на процента на грешки. и подобряване на точността на съществуващите квантови модели.

Ако Cirq не следваше модела с отворен код, нещата щяха да бъдат много по-предизвикателни. Голяма инициатива би била пропусната и ние нямаше да бъдем една крачка по-близо в областта на квантовите изчисления.

резюме

За да обобщим в края на краищата, за първи път ви запознахме с концепцията за Quantum Computing, като я сравнихме със съществуващите техники на Classical Computing, последвани от много важен видеоклип за последните актуализации на развитието на Quantum Computing от миналата година. След това накратко обсъдихме Noisy Intermediate Scale Quantum, за което Cirq е специално изградена.

Видяхме как можем да инсталираме и тестваме Cirq в Ubuntu система. Също така тествахме инсталацията за ползваемост в среда на IDE с някои ресурси, за да започнем да изучаваме концепцията.

Накрая видяхме и два примера за това как Cirq ще бъде съществено предимство в развитието на изследванията в Quantum Computing, а именно OpenFermion и Bristlecone. Завършихме дискусията, като изтъкнахме някои мисли за Cirq с отворена перспектива на науката.

Надяваме се да ви запознаем с Quantum Computing с Cirq по лесен за разбиране начин. Ако имате някаква обратна връзка, свързана със същото, моля да ни уведомите в секцията с коментари. Благодарим ви, че прочетете и очакваме с нетърпение да ви видим в следващата ни статия от Open Science.

Препоръчано

Пълно ръководство за трикратно зареждане на Windows, Kubuntu и Debian
2019
GNOME 3.26 Издаден! Проверете новите функции
2019
3D отпечатване с отворен код: проучване на научни и медицински решения
2019