حرکت در مرز محاسبات کوانتومی

توسط دیوید سی. براک در گفتگو با ماتیاس ترویر از مایکروسافت تحقیق ، جان مارتینیس آزمایشگاه هوش مصنوعی گوگل و پت گومن از IBM Research.

شاید شما هم مانند من باشید: می دانید که امروزه محاسبات کوانتومی موضوعی داغ است ، اما نگران کننده است. احساس می کنید که واقعاً تصویر خوبی از آنچه در مورد آن است ندارید. مطمئناً می دانید که این ارتباطی با رفتار ناخواسته جهان دارد که توسط مکانیک کوانتوم توصیف شده است - گربه ها در جعبه هایی که تا زمانی که به داخل آن نگاه نکنید مخلوطی از زنده و مرده هستند و فوتون هایی که خواص آنها را فوراً در فواصل زیاد هماهنگ می کند و گاهی نیز یک ذره و گاهی موج. و شما همچنین می دانید که به نوعی در این رفتار عجیب و غریب ، محققان این امکان را برای نوع جدیدی از رایانه ها می بینند که دارای ویژگی هایی باشد که رایانه هایی مانند آنچه شما در اختیار دارید هرگز در آرزوی انجام آنها نبوده اند. اوه ، و می دانید که چیزی در مورد این رایانه های کوانتومی وجود دارد که می تواند همه کدها را خراب کند. اگر می خواهید برای درک بهتر آنچه در واقع محاسبات کوانتومی وجود دارد کمک بگیرید. ما این رویداد را "س Quالات کوانتومی" نامیدیم ، زیرا این فرصتی بود که از برخی از محققان برجسته جهان بخواهیم به ما کمک کنند تا بفهمیم محاسبات کوانتومی در واقع در مورد چیست ، امروزه در چه وضعیتی قرار دارد ، اکثر ما در مورد آن اشتباه می کنیم و چه معنایی می تواند داشته باشد آنها ناامید نشدند.

سه نفر ما برخی از برجسته ترین تلاش ها را در زمینه تحقق سخت افزارهای کارکرده برای کامپیوترهای کوانتومی - پردازنده های کوانتومی - و اشکال جدید نرم افزار برای استفاده از آنها نشان دادند. پت گومن از تلاش IBM Research به ما ملحق شد. جان مارتینیس نماینده آزمایشگاه هوش مصنوعی کوانتوم گوگل بود. و ماتیاس ترویر چشم انداز را از Microsoft Research آورد. این یک بحث فوق العاده صادقانه و واضح در مورد سوالات کوانتومی ما و نحوه زندگی در این مرز تحقیق است. بسیاری از محققان ایده استفاده از مکانیک کوانتومی برای محاسبه و مفهوم "کامپیوتر کوانتومی" را دارند. در دهه 1990 و اوایل دهه 2000 ، محققان در زمینه داغ آن زمان فناوری نانو نیز ریشه های حوزه خود را در سخنرانی فاینمن جستجو کردند. برای جامعه محاسبات کوانتومی ، این یک کنفرانس در سال 1981 بود ، "شبیه سازی فیزیک با رایانه" ، سال بعد در مجله بین المللی فیزیک نظری منتشر شد که واقعاً زمینه را باز کرد. (نسخه رسمی آن در اینجا یافت می شود. دیگران نیز وجود دارند.)

فاینمن در مقاله خود این بحث را مطرح می کند که رایانه های دیجیتالی الکترونیکی که ما می شناسیم هرگز نمی توانند ابزارهای موثری برای محاسبات مفید در مورد نقاطی از جهان که توسط مکانیک کوانتوم توصیف شده است. برخی از مکانیک های کوانتومی نه تنها بسیار پیچیده هستند که نمی توان آنها را محاسبه کردوسایل معمولی - حتی اگر کل جهان را به یک کامپیوتر دیجیتالی تبدیل کرده باشید و آن را برای عصر جهان اجرا کرده باشید - اما فاینمن استدلال می کند که حتی برای برخی از موقعیت های مکانیکی کوانتومی بسیار ساده ، شبیه سازی های دیجیتالی آنها پاسخ های نادرستی را ایجاد می کند.

فاینمن پیشنهاد کرد در مواجهه با این محدودیت محاسبات دیجیتالی ، روش محاسبه را به سادگی تغییر دهد تا نقاط جهان تحت سلطه مکانیک کوانتومی را کشف کند. فکر او استفاده از "سیستم های مکانیکی کوانتومی" برای محاسبه سایر سیستم های مکانیکی کوانتومی بود. کدام سیستمهای کوانتومی مکانیکی را می توان برای تشکیل "عناصر رایانه کوانتومی" استفاده کرد که او نگفت ، یا حدس زد. محققان امروزه در زمینه محاسبات کوانتومی در تلاش هستند تا بهترین پاسخ را برای این سوال بیابند. جالب اینجاست که برای فاینمن ، بخشی از جذابیت محاسبات کوانتومی این بود که او در آن روش جدیدی را برای کشف خود فیزیک مشاهده کرد ، به عنوان راهی برای یادگیری چیزهای جدید در مورد نحوه کار جهان. برای نمایندگان جامعه محاسبات کوانتومی امروز که به پنل 15 آگوست ما پیوستند ، تحقیقات آنها همین جنبه را شامل می شد. امروزه محاسبات کوانتومی نه تنها یک چالش مهندسی پیچیده است که نیاز به خلاقیت و مراقبت دارد ، بلکه یک آزمایش بزرگ در علم فیزیک است که در آن ما چیزهای جدیدی در مورد جهان خود یاد می گیریم. برخی از آنها ممکن است مسیر محاسبات کوانتومی قوی تر را واضح تر و آسان تر نشان دهند. برخی از این درس های جدید ممکن است به شدت ناامید کننده باشد. فقط تلاش مستمر نشان می دهد.

در نهایت ، من به ویژه از این نظر هیئت تحت تأثیر قرار گرفتم که محاسبه کوانتومی ممکن است گشایش فصل جدیدی در داستان رابطه 5000 ساله بشریت با محاسبه باشد. دانش معاصر نشان می دهد که اختراع اعداد بشر حداقل به اندازه مشارکت ما با خواندن و نوشتن است ، احتمالاً قدیمی تر. همانطور که مورخ لورن داستون در مقاله اخیر خود می گوید: "[قدیمی ترین شواهد شما برای نوشتن سیستم ها ، به عنوان مثال از بین النهرین باستانی و مدیترانه ، نشان می دهد که الفبا بر اساس اعداد انگلی هستند. تا حدودی ناامیدکننده است ، بسیاری از اولین متون به جا مانده از زبان سومری (حدود 3500 قبل از میلاد) و دیگر زبانهای باستانی نه حماسه هایی مانند گیلگمش و ایلیاد را ثبت کرده اند ، بلکه بیشتر به عنوان دریافتی تجار به نظر می رسند: پنج بشکه شراب ، بیست و دو پوست گوسفند و به زودی. به نظر می رسد اولین استفاده از خواندن و نوشتن ، پیگیری محاسبات ، بیشتر برای اهداف تجاری و اداری بوده است. " (مقاله قابل توجه داستون را در اینجا بارگیری کنید.) تاریخ عمیق صفحه گسترده واقعاً عمیق است.

انسان شناس کالب اورت معتقد است که اختراع عدد یک جهش از تشخیص الگوهای مشترک بین بدن ما بود - به معنای واقعی کلمه ما. ارقام در دستان ما - و اشیاء موجود در طبیعت به عنوان نمادین این رابطه: یک کلمه ، یک علامت. از این رو ، امکان محاسبه باز می شود. (مصاحبه ای زیبا با اورت راجع به کار خود در اینجا ببینید.) اگر رابطه ما با عدد و محاسبه تا به امروز ، و تمام آن چه که از دست داده است (NB دنیای دیجیتال ما) ، ریشه در این شهود بدن ما در جهان دارد ، واقعاً می شدبه نظر می رسد که محاسبات کوانتومی می تواند ما را ملزم به توسعه شهودهای جدید از طریق تجربیات جدید کند تا از آنچه که ممکن است در اختیار ما قرار دهد ، نهایت استفاده را ببریم. در نهایت ، در صورت موفقیت آمیز بودن ، محاسبات کوانتومی باید بیش از آنکه به آن پاسخ دهد ، س questionsالات کوانتومی را باز کند. من همچنان به تماشا و تعجب ادامه می دهم.

درباره مرکز تاریخ نرم افزار

هدف مرکز تاریخ نرم افزار در موزه تاریخ رایانه جمع آوری ، حفظ و تفسیر تاریخ نرم افزار و تأثیرات دگرگون کننده آن بر جامعه جهانی است.

نرم افزار همان کاری است که یک کامپیوتر انجام می دهد. وجود کد منعکس کننده داستان افرادی است که آن را ساخته اند. اثرات دگرگون کننده نرم افزار پیامدهای ایجاد و استفاده مردم از کد است. در داستانهای این افراد تاریخ فنی ، تجاری و فرهنگی نرم افزار وجود دارد - از خدمات اشتراک گذاری زمان تا ابر ، از کد سفارشی گرفته تا برنامه های بسته بندی شده ، از توسعه دهندگان تا کارآفرینان ، از تلفن های هوشمند گرفته تا ابر رایانه ها. این مرکز در حال بررسی این داستان های مردم محور ، مستند سازی نرم افزارهای در حال اجرا و استفاده از مجموعه های غنی موزه برای بیان داستان نرم افزار ، حفظ تاریخچه آن و امروزه آن را برای سنجش مکان ما ، مکان ما بوده اند ، و ممکن است به کجا برویم.

درباره نویسنده

دیوید سی براک مورخ فناوری و مدیر مرکز تاریخ نرم افزار در موزه تاریخ رایانه است. او بر تاریخ محاسبات ، الکترونیک و ابزار دقیق و همچنین تاریخ شفاهی تمرکز دارد. کارهای براک در تاریخ الکترونیک نیمه هادی شامل تاکری ، براک و جونز ، قانون مور: زندگی گوردون مور ، انقلاب آرام سیلیکون ولی (کتابهای اساسی ، 2015) ؛ لکویر و براک ، سازندگان ریزتراشه: تاریخ مستندی از نیمه رسانای Fairchild (MIT Press، 2010)؛ و براک (ویراستار) درک قانون مور (CHF ، 2005). او بعنوان نویسنده و تهیه کننده اجرایی چندین فیلم کوتاه کوتاه مستند و مستندهای تلویزیونی یک ساعته از جمله "قانون مور در 50 سالگی" ، "دانشمندانی که باید آنها را بشناسید" ، "گوردون مور" و "آرنولد او. بکمن" خدمت کرده است. براک در توییترdcbrock است.

ابتدا در www.computerhistory.org منتشر شده است.

برنامه نویسی برای کامپیوترهای کوانتومی: کدام زبان ها را باید یاد بگیرید؟

در اینجا چند زبان به همراه منابع یادگیری ارزشمند برای مبتدیان

عکس توسط کریس رید در Unsplash

در حال حاضر در دنیای محاسبات اتفاق مهیجی در حال رخ دادن است. اگر پیشرفت های اخیر در حال انجام است ، واضح است که ما در حال حاضر از عصر محاسبات کوانتومی استقبال می کنیم. پیش بینی های متعدد نشان می دهد که ما طی یک دهه یا بیشتر به استفاده گسترده و کاملی از کامپیوترهای کوانتومی پی خواهیم برد.

در حال حاضر ، این یک خبر خوب است. رایانه های کوانتومی می توانند از رایانه های کلاسیک بسیار بزرگتر باشند. ما فقط می توانیم تغییرات باورنکردنی را که آنها با آن مواجه می شوند ، پیش بینی کنیم. با این حال ، نگرانی اصلی در این واقعیت نهفته است که کامپیوترهای کوانتومی تحت اصول متفاوتی از رایانه های کلاسیک عمل می کنند. یک اصل عجیب که اجازه می دهد ذرات در دو حالت مختلف به طور همزمان وجود داشته باشند. رایانه های کوانتومی از برهم نهی استفاده می کنند که به جای بیت از کیوبیت استفاده می کنند. یک بیت معمولاً 0 یا 1 است ، اما یک کیوبیت می تواند به طور همزمان 0 ، 1 یا هر دو باشد. سایر اصول مانند درهم تنیدگی و تداخل برای رایانه های کوانتومی مزیت قابل توجهی را ایجاد می کنند.

این انحراف عظیم از روش های رایج رایج به این معنی است که برنامه نویسان موجود باید بازی خود را برای موفقیت در حوزه کوانتومی افزایش دهند. در حال حاضر ، مواد آموزشی و یادگیری زیادی برای محاسبات کوانتومی در دسترس نیست. اکثر افراد در صنعت این س toال را دارند که باید روی کدام زبانها تمرکز کنند تا در عصر کوانتوم برتری داشته باشند.

چالش دیگر این است که تنها چند شرکت در حال حاضر دارای سخت افزار کوانتومی هستند. با این حال ، سیستم های محاسبات ابری این امکان را برای هرکسی که دارای رایانه مناسب است امکان یادگیری محاسبات کوانتومی را فراهم کرده است. و حدس بزنید ، کاملاً رایگان است. گوگل ، مایکروسافت ، IBM و D-wave همگی دسترسی به محاسبات کوانتومی مبتنی بر ابر را بدون هیچ هزینه ای ارائه می دهند. این یک فرصت طلایی برای هرکسی است که مایل است در محاسبات کوانتومی شرکت کند.

من این فرصت را داشتم که پلتفرم های آنها را بررسی کنم. باید بگویم که بر اساس دانش محدود من در زمینه برنامه نویسی ، کار با پلتفرم IBM ساده ترین است. می توانید از کمی شروع کنید تا در مدت زمان کوتاهی یک کامپیوتر کوانتومی را اجرا کنید.

بنابراین ، قبل از اینکه به منابع یادگیری بپردازیم ، بیایید چند زبان را بررسی کنیم که شما را در برنامه نویسی کوانتومی متخصص می کند.

1. پایتون

پایتون برای هر کسی که علاقه مند به برنامه نویسی است ، زبان اول ، ساده ، قابل استفاده و قابل استفاده باقی می ماند. حتی افرادی که تازه وارد نوشتن کد می شوند می توانند با آن کنار بیایند. به این ترتیب ، درک اصول پایتون در برنامه نویسی کوانتومی بسیار مفید است.

بنابراین ، برای کسانی که به دنبال یادگیری برنامه نویسی کوانتومی هستند ، پایتون مکان مناسبی برای شروع است. به دلیل محبوبیت ، منابع آموزشی زیادی در حال حاضر وجود دارد. پایتون برای مبتدیان برنامه ای مناسب برای درک مفاهیم اساسی علوم کامپیوتر است.

Qiskit

Qiskit کیت توسعه نرم افزار منبع باز (SDK) IBM برای کار با رایانه های کوانتومی است.

Qiskit با ارائه ابزارهای مورد نیاز برای تعامل با سیستم های کوانتومی و شبیه سازها ، توسعه برنامه های کوانتومی را آسان می کند. Qiskit استمناسب برای کاربران نهایی بدون تخصص کوانتومی. با چهار بسته Qiskit ، Aqua ، Terra ، Ignis و Aer ، می توانید از الگوریتم های سطح بالا تا پالس های سطح پایین کار کنید.

اگر یادگیری Qiskit را در نظر بگیرید ، دو گزینه در دسترس است. شما می توانید آن را به صورت محلی یا در ابر بدون نصب هیچ چیزی ، با استفاده از آزمایشگاه رایانه IBM اجرا کنید.

Cirq

Cirq کتابخانه نرم افزاری مبتنی بر پایتون گوگل برای نوشتن ، دستکاری و بهینه سازی کوانتوم است مدارها و سپس آنها را روی مدارهای کوانتومی و شبیه سازهای کوانتومی اجرا کنید.

از اوایل سال 2021 ، Cirq بر روی ارائه دسترسی به یکی از کامپیوترهای کوانتومی واقعی گوگل کار می کند. در این بین ، هنوز امکان ساخت الگوریتم ها و مدارها و آزمایش آنها بر روی شبیه ساز کوانتومی وجود دارد.

Google آموزش های ارزشمندی را ارائه می دهد که به مبتدیان کمک می کند تا با استفاده از Cirq از حالت صفر به سطح شبیه سازی کوانتومی حرکت کنند.

Ocean

نرم افزار Ocean مجموعه ای از ابزارهایی است که توسط D-Wave برای حل مشکلات سخت با کامپیوترهای کوانتومی ارائه شده است. این نرم افزار محاسبات مورد نیاز برای تبدیل مشکلات تصادفی را به شکلی که رایانه کوانتومی می تواند حل کند ، انجام می دهد.

سرویس حل کننده ترکیبی D-Wave می تواند مشکلات پیچیده تا 100000 متغیر را حل کند. برای اجرای کد بر روی شبیه سازها یا دستگاههای D-Wave می توانید Ocean را به پلتفرم D-Wave متصل کنید.

منابع یادگیری مهم

اگر به دنبال شروع محاسبات کوانتومی خود هستید در سفر ، در اینجا چند منبع مفید وجود دارد: ، کامپایلر Rigetti Quil و ماشین مجازی کوانتوم.

خدمات ابری آنها همچنین نقاط دسترسی به رایانه های کوانتومی را به کاربران ارائه می دهد.

ب) اسناد برای اقیانوس

مستندات for Ocean دانش آموزان را با مفاهیم اولیه نصب و استفاده از ابزارهای Ocean به روشی آسان آشنا می کند. SDK شامل بسته های متعددی است که برای برنامه نویسی کوانتومی عالی است.

ج) راهنمای کامل کاربر IBM Q

راهنمای کاربری کامل IBM Q به کاربران امکان می دهد مدلها و برنامه های کوانتومی با IBM Quantum بسازند آزمایشگاه ، یک رابط Jupyter بهینه شده برای Qiskit.

من این یکی را امتحان کرده ام و باور نکردنی است که چگونه می توان اولین مدار خود را در آزمایشگاه کوانتومی کدگذاری کرد.

د) جان پرسکیل نکاتی در مورد محاسبات کوانتومی

این منبع در بحث ارائه مفاهیم محاسبات کوانتومی بسیار مفصل است. قبل از بررسی اصول اولیه مدلهای محاسباتی کوانتومی ، دانش آموزان را با فیزیک پشت پدیده های شگفت انگیز کوانتومی آشنا می کند.

این کتاب برای افرادی که به دنبال دانش عمیق در زمینه برنامه نویسی کوانتومی هستند ، باید مطالعه شود.

ه) آموزشهای Qiskit

این منبع شامل مجموعه ای از آموزشهای Jupyter برای کسانی است که به دنبال استفاده از Qiskit برای نوشتن برنامه های محاسبات کوانتومی و اجرای آنها در شبیه سازهای کوانتومی آنلاین هستند. با توجه به این واقعیت که آنها از مشارکت های انجمن آنلاین برای بهبود کیفیت منابع استقبال می کنند ، به سرعت در حال رشد است.

صبر کنید ، چرا (دقیقاً) می خواهید برنامه نویسی کوانتومی را بیاموزید؟

خنده دار است که چگونه همه ما گرفتار دیوانگی محاسبات کوانتومی شده ایم ، اما حتی مطمئن نیستیم که کامپیوترهای کوانتومی چه کارهایی می توانند برای ما انجام دهند یا خواهند داد. اما این لذت همه چیز است ؛ وعده پتانسیل بی حد و حصر ، امکانات نامحدود و فرصتهای نامحدود.

آنچه که همه ما می توانیم بر روی آن توافق داشته باشیم این است که کسانی که دارای دانش محاسبات کوانتومی هستند از مزیت اولین حرکت پس از کامل شدن برخوردار خواهند شد. بنابراین ، فقط آنجا ننشینید. ببریداز این زمان برای لذت بردن از یادگیری فناوری فردا استفاده کنید.