A kvantum-számítástechnika ismertetése

A kvantum-számítástechnika magában foglalja bolygónk legnagyobb kihívásainak megoldását – a környezet, a mezőgazdaság, az egészségügy, az energia, az éghajlat, az anyagtudomány és egyebek területén. Néhány ilyen probléma esetén a klasszikus számítástechnika egyre nagyobb kihívást jelent a rendszer méretének növekedésével. A méretezésre tervezett kvantumrendszerek valószínűleg olyan képességekkel rendelkeznek, amelyek meghaladják a mai legerősebb szuperszámítógépek képességeit. Mivel a kvantumkutatók, tudósok, mérnökök és üzleti vezetők globális közössége együttműködik a kvantum-ökoszisztéma fejlesztésében, elvárjuk, hogy a kvantumhatás minden iparágban felgyorsuljon.

A kvantum-számítástechnika kezdeteiről és motivációiról további információt a kvantum-számítástechnika előzményei és háttere című témakörben talál.

Az Azure Quantum egy nyitott ökoszisztéma, amellyel kvantum-számítástechnikai megoldásokat hozhat létre a mai kvantumhardverek széles választékán, és rugalmasságot biztosít az előnyben részesített fejlesztői eszközök használatához a Cirq, a Qiskit és Q#a támogatásával. A jól ismert és megbízható Azure-platform segítségével megtudhatja, hogyan fejleszthet kvantum-algoritmusokat, és hogyan programzhatja és futtathatja őket valós hardveren több szolgáltatótól.

Megtudhatja, hogyan hozhat létre Azure Quantum-munkaterületet , és hogyan kezdheti meg a kvantumprogramok valódi kvantumhardveren való elküldését. Az első alkalommal használt felhasználók automatikusan ingyenes Azure Quantum-krediteket kapnak az egyes részt vevő kvantumhardver-szolgáltatókhoz (egyenként 500 USD) a munkaterület létrehozásakor. Ha további kreditekre van szüksége, az Azure Quantum Credits programra is jelentkezhet.

Tipp

Ingyenes próbaverzió. Ha nem rendelkezik Azure-előfizetéssel, létrehozhat egy ingyenes Azure-fiókot (tekintse meg az ingyenes Azure-fiókokat a diákok számára).

Mire használható a kvantum-számítástechnika és az Azure Quantum?

A kvantumszámítógépek nem olyan szuperszámítógépek, amelyek mindent gyorsabban tudnak elvégezni. Valójában a kvantum-számítástechnika kutatásának egyik célja annak vizsgálata, hogy a kvantumszámítógépek milyen problémákat oldhatnak meg gyorsabban, mint a klasszikus számítógépek, és milyen nagy a sebesség.

A kvantumszámítógépek rendkívül jól járnak azokkal a problémákkal, amelyek számos lehetséges kombináció kiszámítását igénylik. Az ilyen típusú problémák számos területen megtalálhatók, például kvantumszimuláció, titkosítás, kvantumgép-tanulás és keresési problémák.

A Microsoft kvantum-számítástechnikai kutatásával kapcsolatos legfrissebb információkért tekintse meg a Microsoft Research Quantum Computing oldalt.

Erőforrás-becslés

A ma elérhető kvantumszámítógépek érdekes kísérletezést és kutatást tesznek lehetővé, de nem tudják felgyorsítani a valós problémák megoldásához szükséges számításokat. Bár az iparág várja a hardveres fejlődést, a kvantumszoftver-újítók szívesen haladnak előre, és felkészülnek a kvantum jövőjére. Ijesztő feladat ma olyan algoritmusokat létrehozni, amelyek végül a holnapi hibatűrő, skálázott kvantumszámítógépeken fognak futni. Ezek az újítók olyan kérdésekkel szembesülnek, mint például hogy milyen hardvererőforrásokra van szükség? Hány fizikai és logikai qubitre van szükség, és milyen típusúra? Mennyi ideig tart a futási idő?

Az Azure Quantum Resource Estimator segítségével megválaszolhatja ezeket a kérdéseket. Ennek eredményeképpen finomíthatja az algoritmusokat, és olyan megoldásokat hozhat létre, amelyek kihasználják a skálázott kvantumszámítógépek előnyeit, amikor azok elérhetővé válnak.

Első lépésként lásd : Az első erőforrás-becslés futtatása.

További információ a gyakorlati kvantumelőnyre való skálázás követelményeiről az Azure Quantum Resource Estimator használatával az arXiv:2211.07629 fájlban.

Kvantumszimuláció

A kvantummechanika az univerzumunk mögöttes "operációs rendszere". Leírja, hogyan viselkednek a természet alapvető építőelemei. A természet viselkedése, például a kémiai reakciók, a biológiai reakciók és az anyagalakzatok gyakran többtestű kvantum-interakciókat foglalnak magukban. A belsőleg kvantummechanikai rendszerek, például molekulák szimulálásához a kvantum-számítástechnika ígéretes, mivel a qubitek (kvantumbitek) a szóban forgó természetes állapotok ábrázolására használhatók. A modellezhető kvantumrendszerek közé tartoznak például a fotoszintézis, a szupravezető képesség és az összetett molekuláris formációk.

A Quantum Development Kit (QDK) tartalmazza a kvantumkémiai kódtárat , amellyel szimulálhatók az elektronikus szerkezeti problémák és a kvantumdinamika egy kvantumszámítógépen. Ilyen szimulációk például egy molekula talajállapotának egyszerű molekuláris energiabecslése. Ez és további QDK- és Azure Quantum-minták találhatók a kódmintákban.

Kvantumgyorsítások

A kvantum-számítástechnika kutatásának egyik célja annak vizsgálata, hogy a kvantumszámítógépek mely problémákat oldhatják meg gyorsabban, mint a klasszikus számítógépek, és milyen nagy a sebesség. Két jól ismert példa a Grover-algoritmus és a Shor-algoritmus, amelyek polinomiális és exponenciális felgyorsulást eredményeznek klasszikus társaiknál.

A kvantumszámítógépen futó Shor-algoritmus megszakíthatja a klasszikus titkosítási sémákat, például a Rivest–Shamir–Adleman (RSA) sémát, amelyet széles körben használnak az e-kereskedelemben a biztonságos adatátvitel érdekében. Ez a séma a prímszámok klasszikus algoritmusokkal történő faktorálásának gyakorlati nehézségein alapul. A kvantumtitkosítás az alapvető fizikát és nem az összetettségi feltételezéseket kihasználva garantálja az információbiztonságot.

A Shor-algoritmushoz hasonlóan a rejtett eltolódási probléma is olyan problémák természetes forrása, amelyek esetében a kvantumszámítógép exponenciális előnyt élvez a legismertebb klasszikus algoritmusokkal szemben. Ez végül segíthet a dekonvolúciós problémák megoldásában, és lehetővé teheti számunkra, hogy hatékonyan megtaláljuk a mintákat az összetett adathalmazokban. Kiderült, hogy a kvantumszámítógépek főszabály szerint nagy sebességű számítási konvolúciókat képesek kiszámolni, ami viszont a kvantumszámítógép Fourier-átalakítási képességén alapul, és rendkívül gyorsan alakítja át azokat. Az Azure Quantum-munkaterület mintagyűjteményében talál egy Rejtett műszakok Jupyter-notebookmintát (azure-fiók szükséges).

A Grover-algoritmus felgyorsítja a megoldást a strukturálatlan adatkeresésekre, és kevesebb lépésben futtatja a keresést, mint bármely klasszikus algoritmus. Valóban, minden olyan probléma, amely lehetővé teszi annak ellenőrzését, hogy egy adott érték $x$ érvényes megoldás-e (az "igen vagy nem probléma") a keresési probléma szempontjából fogalmazható meg. Az alábbiakban néhány példát láthat:

  • Logikai kielégíthetőségi probléma: A $x$ logikai értékek halmaza olyan értelmezés (az értékek változókhoz való hozzárendelése), amely megfelel az adott logikai képletnek?
  • Az utazó ügynök problémája: A $x$ az összes várost összekötő lehető legrövidebb utat írja le?
  • Adatbázis-keresési probléma: Az adatbázistábla tartalmaz $x$ rekordot?
  • Prímfelbontási probléma: Az $N$ rögzített szám osztható az $x$ számmal?

A Grover-algoritmus matematikai problémák megoldásához való gyakorlati megvalósításáért tekintse meg a Grover Search Jupyter-jegyzetfüzetét az Azure Quantum-munkaterület mintagyűjteményében (azure-fiók szükséges), vagy tekintse meg ezt az oktatóanyagot a Grover keresési algoritmusának implementálásához.

További kvantum-algoritmusmintákért tekintse meg a kódmintákat.

Kvantum gépi tanulás

A klasszikus számítógépekkel végzett gépi tanulás forradalmasítja a tudományos és az üzleti világot. A modellek betanításának magas számítási költségei azonban akadályozzák a terület fejlesztését és alkalmazásának hatókörét. A kvantum gépi tanulás területe azt vizsgálja, hogy miként lehet olyan kvantumszoftvert kialakítani és alkalmazni, amely gyorsabb gépi tanulást tesz lehetővé, mint amire a klasszikus számítógépek képesek.

A Quantum Development Kit (QDK) tartalmaz egy kvantumgép-tanulási kódtárat , amely lehetővé teszi hibrid kvantum-/klasszikus gépi tanulási kísérletek futtatását. A kódtár mintákat és oktatóanyagokat is tartalmaz, továbbá biztosítja a szükséges eszközöket az új hibrid kvantum/klasszikus algoritmus, a körközpontú kvantumosztályozó implementálásához, amely a felügyelt osztályozási problémák megoldására szolgál.

Hogyan oldja meg a kvantum-számítástechnika a problémákat?

A kvantumszámítógépek szabályozható kvantummechanikai eszközök, amelyek kvantumfizikai tulajdonságok kihasználásával végeznek számításokat. Bizonyos számítási feladatokat a kvantumszámítás exponenciálisan gyorsít fel. Ez a gyorsítás három kvantummechanikai jelenség, a szuperpozíció, az interferencia és az összefonódás eredménye.

Szuperpozíció

Tegyük fel, hogy Ön a nappalijában edz. Teljesen elfordul balra, majd teljesen jobbra. Most forduljon egyszerre balra és jobbra. Nem tudja megcsinálni (legalábbis anélkül nem, hogy ketté ne osztódna). Nyilvánvaló, hogy egyszerre nem lehet mindkét helyzetben – nem tud ugyanabban a pillanatban balra és jobbra is nézni.

Ha viszont Ön egy kvantumrészecske, akkor a szuperpozíció (más néven koherencia) néven ismert jelenség révén bizonyos valószínűséggel balra néz, ÉS bizonyos valószínűséggel jobbra néz.

Ahogyan a bitek a klasszikus számítástechnika alapvető információegységei, a qubitek a kvantum-számítástechnika alapvető információegységei. Míg egy bit vagy bináris számjegy értéke lehet 0 vagy 1, a qubitek értéke lehet 0, 1 vagy 0 és 1 kvantum szuperpozíció.

A klasszikus részecskéktől eltérően, ha két állapot $A$ és $B$ egy kvantumrészecskének érvényes kvantumállapota, akkor az állapotok bármely lineáris kombinációja érvényes kvantumállapot is: $\text{qubit state}=\alpha A + \beta B$. A kvantumállapotok $A$ és $B$ lineáris kombinációját szuperpozíciónak nevezzük. Itt az $\alpha$ és a $\beta$ a $A$ és a $B$ valószínűségi amplitúdója, így a $|\alpha|^{2} + |\béta|^{2} = 1$.

A kvantum-számítástechnika hatékonyságát lehetővé tevő szuperpozíciós állapotokban csak kvantumrendszerek, például ionok, elektronok vagy szupravezető áramkörök létezhetnek. Egy kvantumrészecskének, például az elektronnak saját "balra vagy jobbra néző" tulajdonsága van, nevezetesen a spin, amelyet felfelé vagy lefelé neveznek, így az elektron kvantumállapota a "spin up" és a "spin down" szuperpozíciója.

Ha egy kvantumrendszer két kvantumállapotban is lehet, általában a klasszikus bináris számítástechnika számára is érthetőbbé teszi, ezeket az állapotokat 0 állapotnak és 1 állapotnak nevezzük.

Qubitek és valószínűség

A hagyományos számítógépek bitekben tárolják és dolgozzák fel az információkat, amelyek állapota 1 vagy 0 lehet, de mindkettő soha. A kvantum-számítástechnika megfelelője a qubit. A qubit bármely olyan kvantumrendszer, amely két kvantumállapot szuperpozíciójában lehet: 0 és 1. Minden lehetséges kvantumállapothoz tartozik egy valószínűségi amplitúdó. A qubit mérése után az állapota a hozzá tartozó valószínűségtől függően 0 vagy 1 állapotra csukódik össze, így az egyik lehetséges állapotot egy bizonyos valószínűséggel kapjuk meg.

A kvantum-interferencia határozza meg annak valószínűséget, hogy a qubit az egyik vagy a másik értékkel esik-e egybe. A kvantuminterferencia hatással van a qubitek állapotára, hogy befolyásolják egy adott eredmény valószínűségét a mérés során, és ez a valószínűségi állapot az, ahol a kvantum-számítástechnika ereje kimagasló.

Egy hagyományos számítógépen például két bit esetén az egyes bitek 1 vagy 0 értékkel rendelkezhetnek, együtt tehát négy lehetséges értéket tárolhat velük (00, 01, 10 és 11), de egyszerre csak az egyiket. Két, szuperpozícióban lévő qubit esetén azonban mindkét qubit lehet 1, 0 vagy mindkettő, így egyszerre jelölhetik ugyanazt a négy értéket. Három qubittel nyolc értéket jelölhet, négy qubittel 16-ot és így tovább.

További információ : qubit a kvantum-számítástechnikában.

Összefonódás

A kvantummechanika egyik legérdekesebb jelensége, hogy két vagy több kvantumrendszer összefonódhat egymással. Az összefonódás kvantum-korreláció a kvantumrendszerek között. Amikor a qubitek összefonódnak, olyan globális rendszert alkotnak, hogy az egyes alrendszerek kvantumállapotát nem lehet egymástól függetlenül leírni. Két rendszer összefonódik, ha a globális rendszer állapota nem írható az alrendszerek lineáris kombinációjaként.

Az összefonódott kvantumrendszerek akkor is fenntarthatják ezt a korrelációt, ha nagy távolságokra van elválasztva. Ez azt jelenti, hogy az egyik alrendszerre alkalmazott bármely művelet vagy folyamat a másik alrendszerrel is összefügg. Mivel az összefonódott qubitek között korreláció van, egy qubit állapotának megmérése a többi qubit állapotáról is információt nyújt – ez a tulajdonság nagyon hasznos a kvantum-számítástechnikában.

Megjegyzés

Két qubit méréseinek korrelációjából nem mindig következik, hogy a két qubit össze van fonódva. Korreláció klasszikus bitek között is lehet. Két qubit akkor van összefonódva, ha klasszikus bitekkel nem reprodukálható korrelációkat mutatnak. Ez a klasszikus és kvantumos korrelációk közötti különbség nem feltűnő, mégis kulcsszerepet játszik a kvantumszámítógépekkel elérhető gyorsaságban.

Ha többet szeretne megtudni, tekintse meg az oktatóanyagot, amely a kvantum-összefonódást és az Azure Quantumot Q# ismerteti.

Kvantumszámítógépek és kvantumszimulátorok

A kvantumszámítógép a klasszikus és a kvantum-számítástechnika erejét ötvöző gép. Az aktuális kvantumszámítógépek hibrid modellnek felelnek meg: egy klasszikus számítógépnek, amely a kvantumprocesszort vezérli.

A kvantumszámítógépek fejlesztése még gyerekcipőben jár. A kvantumhardver drága, és a legtöbb rendszer egyetemeken és kutatólaborokban található. Míg a klasszikus számítógépek ismerős, szilíciumalapú chipeket használnak, a kvantum-számítógépek kvantumrendszereket használnak, például atomokat, ionokat, fotonokat vagy elektronokat. A technológia azonban folyamatosan fejlődik, és korlátozott nyilvános felhőhozzáférés érhető el a kvantumrendszerekhez.

Az Azure Quantum lehetővé teszi, hogy egyszerre több platformhoz is létrehozhasson kvantumalgoritmusokat, miközben megőrzi a rugalmasságot, hogy ugyanazokat az algoritmusokat egyes rendszerekhez hangolja. Számos programozási nyelv közül választhat, például a Qiskit, a Cirq, és Q# több kvantumrendszeren futtathatja az algoritmusokat. Az Azure Quantum-on egyszerűen felfedezheti a mai kvantumrendszereket, és készen áll a jövő skálázott kvantumrendszereire.

Tipp

Az első alkalommal használt felhasználók automatikusan ingyenes 500 DOLLÁR (USD) ingyenesAzure Quantum Credit-kreditet kapnak az egyes részt vevő kvantumhardver-szolgáltatókhoz való használatra. Ha felhasználta az összes kreditet, és többre van szüksége, az Azure Quantum Credits programra is jelentkezhet.

Azure Quantum-hardver

A kvantumszámítógépek három elsődleges részből állnak:

  • A qubiteket tartalmazó eszköz
  • A qubiteken végzett kvantumműveletek (más néven kvantumkapuk) végrehajtására és mérésére szolgáló módszer
  • Egy klasszikus számítógép egy program futtatásához és utasítások elküldéséhez

A qubitek törékenyek és rendkívül érzékenyek a környezeti interferenciára. A qubitek tárolásának egyes módszerei esetében a qubiteket tároló egységet az abszolút nullát alig meghaladó hőmérsékleten tartják a koherencia maximalizálása érdekében. Más típusú qubittárolók egy vákuumkamra segítségével minimalizálják a rezgéseket és stabilizálják a qubiteket.
A műveletek a qubit típusától függően különféle módszerekkel végezhetők el, beleértve a mikrohullámú sütőt, a lézert és a feszültséget.

Ahhoz, hogy megfelelően működjenek, a kvantumszámítógépeknek számos kihívással kell szembenézniük. A hibajavítás a kvantumszámítógépek esetében jelentős feladat, és a vertikális felskálázás (további qubitek hozzáadása) növeli a hibák arányát. Ezen korlátozások következtében az otthoni, asztali kvantumszámítógépek a távoli jövőbe vesznek, de a kereskedelmi szempontból használható laboratóriumi kvantumszámítógépek közelebb vannak.

A Microsoft kvantumhardver-vállalatokkal együttműködve felhőbeli hozzáférést biztosít a kvantumhardverekhez. Az Azure Quantum platform és a QDK segítségével kvantumprogramokat fedezhet fel és futtathat különböző típusú kvantumhardvereken. Ezek a jelenleg elérhető kvantumcélok:

  • Quantinuum: Csapdába esett ion rendszer nagy megbízhatósággal, teljes mértékben csatlakoztatott qubitekkel, valamint a középső áramköri mérések elvégzésének képességével.
  • IonQ: Dinamikusan újrakonfigurálhatja a csapdába esett ion kvantumszámítógépet akár 11 teljesen csatlakoztatott qubithez, így két qubites kaput futtathat bármelyik pár között.
  • Rigetti: A kapualapú szupravezető processzorok hamarosan elérhetők lesznek az Azure Quantum-ban, és a Kvantum köztes reprezentáció (QIR) használatával teszik lehetővé a kis késést és a párhuzamos végrehajtást.

További információ: A kvantum-számítástechnika céllistája.

Azure Quantum-szimulátorok

A valós kvantumhardverek használata egyelőre az erőforrások és a költségvetés miatt korlátozott. A kvantumszimulátorok kvantumalgoritmusok futtatására szolgálnak, így könnyen tesztelhető és hibakeresésre alkalmas, majd valós hardveren futtathatók, és biztosak abban, hogy az eredmény megfelel az elvárásoknak.

A kvantumszimulátorok olyan szoftverprogramok, amelyek klasszikus számítógépeken futnak, és lehetővé teszik a kvantumprogramok futtatását és tesztelését olyan környezetben, amely előrejelzi, hogy a qubitek hogyan reagálnak a különböző műveletekre, így könnyen tesztelhető és hibakeresést végezhet egy algoritmuson, majd valós hardveren futtathatja, és meggyőződhet arról, hogy az eredmény megfelel az elvárásoknak.

A Quantum Development Kit (QDK) a kvantumszimulátorok különböző osztályait tartalmazza, amelyek ugyanazt a kvantum-algoritmust szimulálják, például egy ritka szimulátort a nagy rendszerek szimulálására, egy zajszimulátort a kvantum-algoritmusok zaj jelenlétében történő szimulálására. További információ: kvantumszimulátorok.

Ha rendelkezik Azure-fiókkal, az Azure Quantum-munkaterület mintagyűjteményében számos, kvantumszimulátort használó Jupyter Notebook mintát talál. Megtudhatja, hogyan kezdheti meg az Q# első lépéseket és egy Azure Quantum-jegyzetfüzetet.

Következő lépések