Principy kvantových výpočtů

Článek
10/12/2023

Kvantové výpočty jsou příslibem řešení některých z největších výzev naší planety – v oblastech životního prostředí, zemědělství, zdravotnictví, energetiky, klimatu, vědy o materiálech a dalších. U některých z těchto problémů je s rostoucí velikostí systému stále více zpochybněná klasická výpočetní technika. Při návrhu na škálování budou kvantové systémy pravděpodobně mít schopnosti, které jsou vyšší než možnosti dnešních nejvýkonnějších superpočítačů. Vzhledem k tomu, že globální komunita kvantových výzkumníků, vědců, inženýrů a obchodních lídrů spolupracuje na vývoji kvantového ekosystému, očekáváme zrychlení kvantového dopadu napříč všemi obory.

Azure Quantum teď umožňuje kombinovat klasické a kvantové výpočty a odemykat novou generaci hybridních algoritmů, což přináší výzkum a experimentování se současnou generací kvantových počítačů do nové a vzrušující fáze. Integrovaný hybridní model umožňuje psát kvantový program, abyste se mohli rozhodovat v reálném čase na základě měření mezi okruhy, zatímco qubity zůstanou naživu. Další informace najdete v tématu Hybridní kvantové výpočty.

Další informace o počátcích a motivaci kvantových výpočtů najdete v tématu Historie a pozadí kvantových výpočtů.

Azure Quantum je otevřený ekosystém pro vytváření kvantových výpočetních řešení na rozmanitém výběru dnešního kvantového hardwaru a nabízí flexibilitu při používání upřednostňovaných vývojových nástrojů s podporou Cirq, Qiskit a Q#. Pomocí známé a důvěryhodné platformy Azure se můžete dozvědět, jak vyvíjet kvantové algoritmy a jak je programovat a spouštět na skutečném hardwaru od několika poskytovatelů.

Tip

Pokud chcete zrychlit cestu k kvantovému computingu, podívejte se na Funkci Copilot v Azure Quantum, která je jedinečnou funkcí webu Azure Quantum. Pomocí copilotu můžete spouštět své Q# programy, generovat nový Q# kód z výzev a klást jakékoli otázky týkající se kvantových výpočtů.

Web Azure Quantum nabízí funkci Copilot v Azure Quantum, umělé inteligenci, která vám může pomoct s vytvářením a spouštěním kvantových programů a chatovat s vámi o kvantových konceptech. Další informace o kvantových výpočtech a službě Azure Quantum najdete také v blogech, videích a článcích.

Zjistěte, jak vytvořit pracovní prostor Azure Quantum a začít s odesíláním kvantových programů na skutečném kvantovém hardwaru. První uživatelé při vytváření pracovního prostoru automaticky získají bezplatné kredity Azure Quantum pro použití s jednotlivými zapojenými poskytovateli kvantového hardwaru (každý z nich činí 500 USD). Pokud potřebujete další kredity, můžete požádat o program Azure Quantum Credits.

Tip

Bezplatná zkušební verze. Pokud nemáte předplatné Azure, můžete si vytvořit bezplatný účet Azure (podívejte se na bezplatné účty Azure pro studenty).

K čemu je možné použít kvantové výpočty a Azure Quantum?

Kvantový počítač není superpočítač, který dokáže všechno dělat rychleji. Jedním z cílů výzkumu kvantových výpočtů je zjistit, které problémy může kvantový počítač řešit rychleji než klasický počítač a jak velký může být zrychlení.

Kvantové počítače si mimořádně dobře pomůžou s problémy, které vyžadují výpočet velkého počtu možných kombinací. Tyto typy problémů lze nalézt v mnoha oblastech, jako jsou kvantové simulace, kryptografie, kvantové strojové učení a problémy s vyhledáváním.

Nejnovější informace o výzkumu kvantových výpočtů microsoftu najdete na stránce Microsoft Research Quantum Computing .

Odhad zdrojů

Kvantové počítače, které jsou dnes k dispozici, umožňují zajímavé experimentování a výzkum, ale nejsou schopny zrychlit výpočty potřebné k řešení reálných problémů. Zatímco obor čeká na hardwarové pokroky, inovátoři kvantového softwaru chtějí dosáhnout pokroku a připravit se na kvantovou budoucnost. Vytváření algoritmů, které nakonec poběží na zítřejších kvantových počítačích odolných proti chybám, je náročný úkol. Tito inovátoři čelí například dotazům, jaké hardwarové prostředky jsou potřeba? Kolik fyzických a logických qubitů je potřeba a jaký typ? Jak dlouhá je doba běhu?

K zodpovězení těchto otázek můžete použít nástroj Azure Quantum Resource Estimator. Díky tomu budete moct upřesňovat algoritmy a vytvářet řešení, která budou využívat škálované kvantové počítače, jakmile budou k dispozici.

Pokud chcete začít, přečtěte si téma Spuštění prvního odhadu prostředků.

Přečtěte si další informace o posouzení požadavků na škálování na praktické kvantové výhody pomocí nástroje Azure Quantum Resource Estimator v arXiv:2211.07629.

Kvantová simulace

Kvantová mechanika je základní "operační systém" našeho vesmíru. Popisuje, jak se chovají základní stavební bloky přírody. Chování přírody, jako jsou chemické reakce, biologické reakce a formace materiálu, často zahrnují kvantové interakce s mnoha těly. Pro simulaci vnitřně kvantových mechanických systémů, jako jsou molekuly, je kvantové výpočty slibné, protože qubity (kvantové bity) lze použít k reprezentaci daných přírodních stavů. Příklady kvantových systémů, které můžeme modelovat, zahrnují fotosyntézu, supervodivost a komplexní molekulární formace.

Sada Quantum Development Kit (QDK) se dodává s knihovnou kvantové chemie , která simuluje problémy s elektronickou strukturou a kvantovou dynamiku na kvantovém počítači. Příkladem takových simulací je jednoduchý odhad molekulární energie pozemního stavu molekuly. Tyto a další ukázky QDK a Azure Quantum najdete v ukázkách kódu.

Funkce Azure Quantum Elements je určená k urychlení vědeckého zjišťování. Vylepšete produktivitu výzkumu a vývoje pomocí simulačních pracovních postupů optimalizovaných pro škálování na clusterech Azure High-Performance Computing (HPC), výpočetních prostředků akcelerovaných AI, rozšířeného uvažování pomocí AI, integrace s kvantovými nástroji pro zahájení experimentování se stávajícím kvantovým hardwarem a přístupu v budoucnu ke kvantovému superpočítači Microsoftu. Další informace najdete v tématu Uvolnění výkonu Azure for Molecular Dynamics.

Kvantové zrychlení

Jedním z cílů výzkumu kvantových výpočtů je zjistit, které problémy může kvantový počítač řešit rychleji než klasický počítač a jak velký může být zrychlení. Dva známé příklady jsou Groverův algoritmus a Shorův algoritmus, které poskytují polynom a exponenciální zrychlení oproti klasickým protějškům.

Shorův algoritmus běžící na kvantovém počítači může narušit klasická kryptografická schémata, jako je schéma Rivest-Shamir-Adleman (RSA), které se často používá v elektronickém obchodování pro zabezpečený přenos dat. Toto schéma je založeno na praktické obtížnosti faktoringu prvočísek pomocí klasických algoritmů. Kvantová kryptografie slibuje zabezpečení informací tím, že využívá základní fyziku místo předpokladů složitosti.

Stejně jako Shorův algoritmus pro faktoring je problém skrytého posunu přirozeným zdrojem problémů, pro které má kvantový počítač exponenciální výhodu oproti nejznámějším klasickým algoritmům. To může nakonec pomoct při řešení problémů s dekonvolucí a umožnit nám efektivně najít vzory ve složitých datových sadách. Ukázalo se, že kvantový počítač může v zásadě počítat konvoluce vysokou rychlostí, což je zase založeno na schopnosti kvantového počítače vypočítat Fourierovy transformace velmi rychle. V galerii ukázek pracovního prostoru Azure Quantum najdete ukázku poznámkového bloku Jupyter Hidden Shifts (vyžaduje se účet Azure).

Groverův algoritmus zrychluje řešení na nestrukturované vyhledávání dat a spouští vyhledávání v menším počtu kroků, než by mohl jakýkoli klasický algoritmus. Každý problém, který vám umožní zkontrolovat, jestli je daná hodnota $x$ platným řešením ("ano nebo žádný problém"), může být formulován s ohledem na problém hledání. Tady je několik příkladů:

Problém splnitelnosti booleovské formule: Je sada logických hodnot $x$ interpretací (přiřazením hodnot k proměnným), která splňuje daný logický vzorec?
Problém obchodního cestujícího : Popisuje $x$ nejkratší možnou smyčku, která spojuje všechna města?
Problém vyhledávání v databázi: Obsahuje databázová tabulka záznam $x$?
Problém prvočíselného rozkladu: Je pevné číslo $N$ dělitelné číslem $x$?

Praktickou implementaci Groverova algoritmu pro řešení matematických problémů najdete v poznámkovém bloku Grover's Search Jupyter v galerii ukázek pracovního prostoru Azure Quantum (vyžaduje se účet Azure). Další informace o nastavení pracovního prostoru najdete v tématu Vytvoření pracovního prostoru Azure Quantum. Podrobnější zkoumání Groverova algoritmu najdete v kurzu Implementace Groverova vyhledávacího algoritmu v Q#nástroji .

Další ukázky kvantových algoritmů najdete v ukázkách kódu.

Quantum machine learning

Strojové učení na klasických počítačích způsobilo ve světě vědy a obchodu skutečný převrat. Vysoké výpočetní náklady na trénování modelů však brzdí vývoj a rozsah nasazení tohoto oboru. Oblast kvantového strojového učení zkoumá, jak navrhnout a implementovat kvantový software, který umožní zrychlit strojové učení oproti klasickým počítačům.

Sada Quantum Development Kit (QDK) se dodává s knihovnou pro kvantové strojové učení , která umožňuje spouštět hybridní experimenty kvantového klasického strojového učení. Knihovna obsahuje ukázky a kurzy a poskytuje nezbytné nástroje pro implementaci nového hybridního kvantově-klasického algoritmu – klasifikátoru obvodů, který umožňuje řešit úlohy dozorované klasifikace.

Jak kvantové výpočty řeší problémy?

Kvantové počítače jsou řiditelná kvantová mechanická zařízení, která za účelem provádění výpočtů používají kvantovou fyziku. U některých výpočetních úloh poskytuje kvantový computing exponenciální urychlení. Tato urychlení jsou možná díky třem jevům kvantové mechaniky: superpozici, interferenci a propletení.

Superpozice

Představte si, že cvičíte ve svém pokoji. Otáčíte se kam až to jde doleva a pak zase doprava. A teď se zkuste otočit doleva a doprava současně. Asi to nepůjde (tedy pokud se nerozdvojíte). Samozřejmě nemůžete být v obou těchto stavech najednou – nemůžete být otočení doleva i doprava zároveň.

Pokud jste ale subatomickou částicí, můžete s nějakou pravděpodobností směřovat doleva a SOUČASNĚ s nějakou pravděpodobností směřovat doprava díky jevu, který se označuje jako superpozice (někdy také jako koherence).

Stejně jako bity představují základní jednotky informací v klasickém computingu, qubity jsou základními jednotkami informací v kvantových výpočtech. Zatímco bit nebo binární číslice může mít hodnotu 0 nebo 1, qubit může mít hodnotu, která je buď 0, 1, nebo kvantová superpozice 0 a 1.

Na rozdíl od klasických částic platí, že pokud jsou dva stavy $A$ a $B$ platnými kvantovými stavy kvantové částice, pak je jakákoli lineární kombinace stavů také platným kvantovým stavem: $\text{qubit state}=\alpha A + \beta B$. Tato lineární kombinace kvantových stavů $A$ a $B$ se nazývá superpozice. $\alfa$ a $\beta$ jsou amplitudy pravděpodobnosti $A$ a $B$ tak, že $|\alpha|^{2} + |\beta|^{2} = 1$.

V superpozičních stavech, které umožňují výkon kvantových výpočtů, mohou existovat pouze kvantové systémy, jako jsou ionty, elektrony nebo supervodivé obvody. Kvantová částice, jako je elektron, má svou vlastní vlastnost "směřující doleva nebo doprava", konkrétně spin, označovaný jako buď nahoru nebo dolů, takže kvantový stav elektronu je superpozice "spin up" a "spin down".

Obecně platí, že pokud může být kvantový systém ve dvou kvantových stavech, označují se tyto stavy jako stav 0 a 1.

Qubity a pravděpodobnost

Klasické počítače ukládají a zpracovávají informace po bitech, které můžou mít stav buď 1, nebo 0, ale nikdy ne obojí. Ekvivalentem kvantových výpočtů je qubit. Qubit je jakýkoli kvantový systém, který může být v superpozici dvou kvantových stavů, 0 a 1. Každý možný kvantový stav má přidruženou amplitudu pravděpodobnosti. Teprve po změření qubitu se jeho stav sbalí do stavu 0 nebo 1 v závislosti na přidružené pravděpodobnosti, takže jeden z možných stavů se získá s určitou pravděpodobností.

Pravděpodobnost kolapsu qubitu do jednoho nebo druhého stavu je dána kvantovou interferencí. Kvantová interference ovlivňuje stav qubitu, aby ovlivnila pravděpodobnost určitého výsledku během měření. V tomto pravděpodobnostním stavu exceluje výkon kvantových výpočtů.

Například dva bity v klasickém počítači můžou každý uchovávat hodnotu 1 nebo 0, takže společně pojmou čtyři možné hodnoty – 00, 01, 10 a 11 – ale v každém okamžiku vždy pouze jednu z nich. U dvou qubitů v superpozici je však možné, že každý qubit může mít hodnotu 1 nebo 0 nebo obojí, takže dvojice qubitů může tyto čtyři hodnoty reprezentovat současně. Se třemi qubity můžete reprezentovat osm hodnot, se čtyřmi šestnáct a tak dále.

Další informace najdete v tématu Qubit v kvantových výpočtech.

Provázání

Jedním z nejzajímavějších jevů kvantové mechaniky je schopnost dvou nebo více kvantových systémů se vzájemně propletit . Propletení je kvantová korelace mezi kvantovými systémy. Když se qubity propletou, vytvoří globální systém, který umožňuje nezávisle popsat kvantový stav jednotlivých subsystémů. Dva systémy jsou propletené, když stav globálního systému nelze zapsat jako kombinaci stavu subsystémů, zejména jsou dva systémy propletené, když stav globálního systému nelze zapsat jako tenzorový součin stavů subsystémů. Stav produktu neobsahuje žádné korelace.

Propletené kvantové systémy udržují tuto korelaci i v případě, že jsou odděleny na velké vzdálenosti. To znamená, že jakákoli operace nebo proces, který použijete u jednoho subsystému, koreluje i s druhým subsystémem. Díky korelaci mezi provázanými qubity poskytuje změření stavu jednoho qubitu informaci o stavu druhého qubitu – tato konkrétní vlastnost je při kvantových výpočtech velmi užitečná.

Poznámka

Ne každá korelace mezi měřeními dvou qubitů znamená, že jsou tyto dva qubity propletené. Kromě kvantových korelací existují také klasické korelace. Rozdíl mezi klasickými a kvantovými korelacemi je drobný, ale je nezbytný pro zrychlení, které kvantové počítače poskytují. Další informace najdete v tématu Principy klasických korelací.

Pokud se chcete dozvědět víc, projděte si kurz Zkoumání kvantového propletení pomocí Q#.

Kvantové počítače vs. kvantové simulátory

Kvantový počítač je počítač, který kombinuje výkon klasických a kvantových výpočtů. Aktuální kvantové počítače odpovídají hybridnímu modelu: klasickému počítači, který řídí kvantový procesor.

Vývoj kvantových počítačů je stále v plenkách. Kvantový hardware je nákladný a většina systémů se nachází na univerzitách a výzkumných laboratořích. Zatímco klasické počítače používají elektřinu a dobře známé čipy na bázi křemíku, kvantové počítače pracují s kvantovými stavy objektů jako atomy, ionty, fotony nebo elektrony. Technologie se ale vyvíjí a je k dispozici omezený přístup veřejného cloudu ke kvantovým systémům.

Azure Quantum umožňuje vytvářet kvantové algoritmy pro více platforem najednou a současně zachovat flexibilitu při ladění stejných algoritmů pro konkrétní systémy. Můžete vybírat z mnoha programovacích jazyků, jako je Qiskit, Cirq, a Q# spouštět algoritmy v několika kvantových systémech. Ve službě Azure Quantum je snadné současně prozkoumat dnešní kvantové systémy a být připraveni na škálované kvantové systémy budoucnosti.

Tip

První uživatelé automaticky získají bezplatné kredity Azure Quantumv hodnotě 500 USD pro použití u každého zúčastněného poskytovatele kvantového hardwaru. Pokud jste využili všechny kredity a potřebujete víc, můžete se přihlásit do programu Azure Quantum Credits.

Hardware Azure Quantum

Kvantový počítač má tři primární části:

Zařízení, ve které jsou qubity
Metoda pro provádění kvantových operací (označovaných také jako kvantové brány) na qubitech a jejich měření
Klasický počítač pro spuštění programu a odeslání pokynů

Qubity jsou křehké a vysoce citlivé na rušení prostředí. Některé metody uchovávání qubitů pracují jen při teplotách těsně nad absolutní nulou, aby se maximalizovala jejich koherence. Jiné způsoby uchovávání qubitů používají vakuovou komoru, která minimalizuje vibrace a zajišťuje stabilitu.
Operace lze provádět pomocí různých metod, včetně mikrovln, laseru a napětí, v závislosti na typu qubitu.

Je třeba vyřešit ještě spoustu problémů, než budou moci kvantové počítače pracovat správně. Oprava chyb je v kvantových počítačích významný problém a škálování (přidávání qubitů) zvyšuje míru výskytu chyb. Z důvodu těchto omezení je kvantový stolní osobní počítač ještě hudbou daleké budoucnosti, ale komerčně využitelný laboratorní kvantový počítač je již blíže.

Microsoft spolupracuje s kvantovými hardwarovými společnostmi, aby zajistil cloudový přístup ke kvantovému hardwaru. Pomocí platformy Azure Quantum a sady QDK můžete zkoumat a spouštět kvantové programy na různých typech kvantového hardwaru. Toto jsou aktuálně dostupné kvantové :targets

Quantinuum: Systém zachycených iontů s vysokou věrností, plně připojenými qubity a schopností provádět měření mezi okruhy.
IonQ: Dynamicky rekonfigurovatelné kvantové počítače s zachycenými ionty pro až 23 plně připojených qubitů, které umožňují spustit dvou qubitovou bránu mezi libovolným párem.
Rigetti: Supervodivé procesory založené na bráně, které využívají Quantum Intermediate Representation (QIR) k zajištění nízké latence a paralelního provádění.

Další informace najdete v úplném seznamu kvantových výpočtůtarget.

Simulátory Azure Quantum

V tuto chvíli je použití skutečného kvantového hardwaru omezené kvůli prostředkům a rozpočtu. Kvantové simulátory slouží ke spouštění kvantových algoritmů, což usnadňuje testování a ladění algoritmu a jeho následné spuštění na skutečném hardwaru s jistotou, že výsledek bude odpovídat očekáváním.

Kvantové simulátory jsou softwarové programy, které běží na klasických počítačích a umožňují spouštět a testovat kvantové programy v prostředí, které předpovídá, jak qubity reagují na různé operace, což usnadňuje testování a ladění algoritmu a jeho následné spuštění na skutečném hardwaru s jistotou, že výsledek bude odpovídat očekávání.

Sada Quantum Development Kit (QDK) obsahuje různé třídy kvantových simulátorů představujících různé způsoby simulace stejného kvantového algoritmu, jako je například řídký simulátor pro simulaci velkých systémů nebo simulátor šumu pro simulaci kvantových algoritmů za přítomnosti šumu. Další informace najdete v tématu Simulátory v paměti.

Kromě toho každý z kvantových hardwarových partnerů Microsoftu nabízí kvantový simulátor jako target.

Pokud máte účet Azure, najdete v galerii ukázek pracovního prostoru Azure Quantum několik Jupyter Notebook ukázek, které používají kvantové simulátory. Viz Začínáme s Q# poznámkovým blokem Azure Quantum.