برنامه نویسی محاسبات کوانتومی
آموزش رایگان محاسبات کوانتومی کاربردی الگوریتم و نرمافزار هوشیو
هوش مصنوعی و یادگیری ماشینی برخی از حوزههای برجسته در حال حاضر هستند.برخی از کاربردهای گسترده ای که هر روز می بینیم در تشخیص صدا، تصویر و دست خط است. با این حال، با افزایش تعداد برنامه ها، تطبیق دقت و سرعت به یک کار چالش برانگیز برای رایانه های کلاسیک تبدیل می شود. و اینجاست که محاسبات کوانتومی میتواند به پردازش مشکلات پیچیده در زمان بسیار کمتری کمک کند. پویا تراب زاده کاشی، دانشآموختهی کارشناسی فیزیک دانشگاه صنعتی امیرکبیر و دانشجوی ارشد فیزیک دانشگاه شریف است. زمینهی پژوهشی ایشان سختافزار کوانتومی ابررسانا و سیستمهای کوانتومی باز و محاسبات کوانتومی توپولوژیک است.
او تحصیلات دانشگاهی خود را در دانشگاه شیراز و در رشته مهندسی برق و الکترونیک شروع کرد و پس از آن دورهی کارشناسی ارشد و دکتری رشتهی فیزیک را در دانشگاه صنعتی شریف گذراند. دکتر کریمیپور سالهای متوالی درسهای فیزیک نوین را در دانشگاه شریف ارائه کرده است و زمینه فعالیت و پژوهش وی فیزیک کوانتوم است. درسهای رایانش و اطلاعات کوانتومی یک و دو که در دو ترم ارائه خواهند شد، دورههایی مناسبِ دانشجویان کارشناسی ارشد و دکترای دانشکدههای فیزیک، ریاضی، علوم کامپیوتر و مهندسی برق هستند. یک مجموعه دستورالعمل کوانتومی و نمایش میانی است که توسط Xanadu Quantum Technologies و Strawberry Fields استفاده میشود. این برنامه برای نمایش برنامههای کوانتومی متغیر پیوسته طراحی شده است که می توانند روی سخت افزار کوانتومی فوتونی اجرا شوند. دستگاه پیوند جوزفسون حاصل، اثر جوزفسون را نشان میدهد که در آن پیوند یک ابرجریان تولید میکند.
پردازنده 53 کیوبیتی Sycamore آنها محاسبات پیچیدهای را سریعتر از قویترین ابررایانههای کلاسیک جهان انجام میدهد. این دستاورد پتانسیل محاسبات کوانتومی را برای حل مسائلی که قبلا غیرقابل حل تلقی میشدند، برجسته کرد. یک کیوبیت تعمیمی از بیت (سیستمی با دو حالت کوانتومی) است که قادر به اشغال برهمنهی کوانتومی از هر دو حالت میباشد. در مقابل، یک دروازه کوانتومی تعمیمی از دروازه منطقی است که ماتریس تبدیل یک یا چند کیوبیت را پس از اعمال دروازه با توجه به حالت اولیهشان توصیف میکند. پیادهسازی فیزیکی کیوبیتها و دروازهها به همان دلایلی چالشبرانگیز است که مشاهده پدیدههای کوانتومی در زندگی روزمره دشوار است؛ زیرا این پدیدهها در مقیاسهای بسیار کوچک رخ میدهند. یکی از روشهای دستیابی به رایانههای کوانتومی، پیادهسازی ابررسانایی است که اثرات کوانتومی را در مقیاس ماکروسکوپی قابل مشاهده میکند، هرچند به بهای دماهای عملیاتی بسیار پایین.
می دانیم وقتی ناظری به چیزی که در ابتدا در یک برهم نهی از حالات بوده نگاه می کند ، واقعیت به یکی از نتایج سقوط می کند. به طور مشابه ، تابع اندازه گیری یک ناظر است و مقادیر کیوبیت تحول یافته را می گیرد و آنها را به عنوان بیت های خروجی نهایی که دقیقاً 1 یا 0 هستند ارایه می دهد. ضمنا محاسبات کوانتومی به طور کلی شاخه ای پیچیده و پیشرفته در فیزیک هست و اینجا قصد نداریم عمیقا وارد موضوع بشیم. برای پیشرفت در دنیای برنامه نویسی و وارد شدن به حوزه های تخصصی آن نیازمند آموزش حرفه ای و پشتیبانی توسط یک منتور باتجربه هستید. در این مقاله یک راهنمای کامل برای کسانیکه رویای ازدیاد رایانه های کوانتمی و در معرض عموم قرارگرفتن آنرا در سر دارند تا بتوانند برای آنها برنامه نویسی کنند یک سری راهنمایی های مقدماتی را آماده کرده ایم.
تعریف کیوبیت در واقع دو سطح تخمینی است ، به عبارتی ما می توانیم دو سطح از یک سیستم بزرگتر را در نظر بگیریم و از ویژگی های آن به عنوان تعریفی از کیوبیت استفاده کنیم. برای کسانی که سریع میخواهند بفهمند کامپیوتر کوانتومی چگونه عمل میکند خیلی دوره خوبی است. ارجاعات گسترده در انتهای راهنما به خوانندگان علاقه مند کمک می کند تا در کاوش های خود در مورد الگوریتم های کوانتومی عمیق تر شوند. این دوره به نحوی تهیه و تدوین شده است که مباحث آن به سادهترین شکل ممکن بیان شوند و مخاطبان دوره بتوانند بهسادگی متوجه موضوعات مطرح شده شوند. به همین جهت برای شرکت در این دوره هیچ پیشنیاز به خصوصی وجود ندارد و افراد با هر سطحی از آگاهی و تحصیلات میتوانند از مباحث این دوره نهایت استفاده را داشته باشند. با تهیه سرور مجازی پویان آی تی میتوانید محیطی ایمن و مناسب برای برنامه نویسی خود داشته باشید و با خیالی آسوده به فعالیتهای خود بپردازید.
همچنین، پایتون به عنوان یک زبان برنامهنویسی مفسری، برای تحلیل دادههای کوانتومی و نمایش نتایج نیز استفاده میشود. در کل، پایتون به دلیل سادگی و قابلیت توسعه بالا، یک ابزار قدرتمند برای برنامهنویسان کوانتومی است. یکی دیگر از روشهای اتصال دو یا چند کیوبیت از طریق اتوبوس کوانتومی است که کیوبیتها به این واسطه متصل میشوند. بوس کوانتومی معمولاً بهعنوان یک حفره میکروویو مدل شده بهعنوان یک نوسانگر هارمونیک کوانتومی پیادهسازی میشود. کیوبیتهای متصل ممکن است بهطور متناوب از همرزون با بوس و با یکدیگر خارج شوند که محدودیت همسایگی را از بین میبرد.
قدرت تبدیل محاسبات کوانتومی نگرانی های اخلاقی را به ویژه در زمینه رمزنگاری و امنیت ایجاد میکند. با پیشرفت کامپیوترهای کوانتومی، پتانسیل عوامل مخرب برای سوء استفاده از قابلیت های خود برای دسترسی غیرمجاز به اطلاعات حساس بسیار مهم میشود.نگرانی. دستورالعمل ها و مقررات اخلاقی باید برای رسیدگی به این خطرات بالقوه و تضمین توسعه و استفاده مسئولانه از فناوری های کوانتومی ایجاد شود. همانطور که سخت افزار محاسبات کوانتومی پیچیده تر میشود، ایده محاسبات ابری کوانتومی مورد توجه قرار گرفته است. شرکتها در حال بررسی راههایی برای دسترسی به منابع محاسباتی کوانتومی از طریق ابر هستند که به محققان و کسبوکارها اجازه میدهد تا بدون نیاز به سرمایهگذاریهای زیرساختی قابل توجهی از توان کوانتومی استفاده کنند. این دموکراتیک کردن محاسبات کوانتومی میتواند تحقیق و توسعه را در زمینه های مختلف سرعت بخشد.
توسعهدهندگان باید بدانند که چگونه مسائل را به گونهای فرموله کنند که از مزیت کوانتومی برای بهینهسازی استفاده کند و فرصتهای جدیدی را برای بهرهوری و استفاده از منابع باز کند. ظهور رایانه های کوانتومی چالش هایی را برای روش های رمزنگاری سنتی ایجاد میکند. الگوریتم شور، اگر به طور موثر بر روی یک کامپیوتر کوانتومی در مقیاس بزرگ پیاده سازی شود، میتواند طرح های رمزنگاری پرکاربرد را شکسته و امنیت ارتباطات دیجیتال را تهدید کند. تکنیک های رمزنگاری مقاوم در برابر کوانتومی، مانند رمزنگاری مبتنی بر شبکه، به طور فعال در حال تحقیق و توسعه هستند تا از انعطاف پذیری امنیت اطلاعات در دوران پس از کوانتوم اطمینان حاصل شود. با برقراری اختلاف پتانسیل، ابر اتمی ( به عنوان مثال گاز H2 ) ملتهب شده و انتشار می یابد با اشکارسازی این موج بواسطه ی لنزها، روزنه و منشور و صفحه عکاسی ، خطوط طیفی موج اولیه تشکیل می شود .
تابع موج چگال در دو طرف پیوند بهطور ضعیفی همبستگی دارند، به این معنی که آنها میتوانند فازهای ابررسانای متفاوتی داشته باشند. این تمایز در خطسانی با یک سیم ابررسانای پیوسته تفاوت دارد، زیرا در یک سیم ابررسانای پیوسته تابع موج در سراسر پیوند باید تابع پیوسته باشد. از آنجا، راهنما به 20 الگوریتم انتخاب شده، با تعریف مسئله، شرح و مراحل برای پیاده سازی هر یک در IBM یا، در موارد معدودی، رایانه های دیگر، می پردازد. بیشترین چیزی که در تعریف کامپیوتر های کوانتومی شنیدیم آن است که این کامپیوترها ماشین هایی هستند که به جای بیت ها با کیوبیت ها کار میکنند . می دانیم که بیت در تعریف متعارف ترانزیستوری است که ولتاژ بالا یا پایین را ثبت می کند یعنی یک یا صفر. در سال های اخیر با پیشرفت تکنولوژی ما بیت هایی داریم که در نزدیکی سایز اتم ها هستند که مطلقا باورنکردنی است.
محاسبات کوانتومی است که برای اولین بار یک مدل مشترک حافظه کوانتومی/کلاسیک را معرفی کرد. و توسط رابرت اسمیت، مایکل کورتیس و ویلیام زنگ در معماری مجموعه دستورات کوانتومی عملی معرفی شد. بسیاری از الگوریتمهای کوانتومی از جمله دورنوردی کوانتومی، تصحیح خطای کوانتومی، شبیهسازی، و الگوریتمهای فرا ابتکاری نیاز به معماری حافظه مشترک دارند. آموزش از صفر کامل شروع می شود و اگر چیزی در ذهن دارید می توانید در بخش Q A به مربی برسید. تمام مطالب استفاده شده در آموزش از طریق GitHub و Udemy به اشتراک گذاشته خواهد شد.
با این حال، محققان هشدار می دهند که مانند بسیاری از طرح های دیگر، به دلیل محدودیت های فناوری کیوبیت امروزی، هنوز امکان ترجمه مستقیم کار آنها به یک کامپیوتر کوانتومی سخت افزاری کاربردی وجود ندارد. هدف آنها توسعه راه هایی برای پیاده سازی انواع بیشتری از الگوریتم های کوانتومی به عنوان برنامه هایی است که به طور موثر از تعداد محدودی کیوبیت و گیت منطقی استفاده می کنند. این ما را به عملکرد این الگوریتمهای محاسباتی کوانتومی که ممکن است در آینده نزدیک آنلاین شوند، نزدیکتر میکند. برای حل مسائل گرافی مانند رنگآمیزی گراف و جستجوی مسیر کوتاه، برنامهنویسی کوانتومی به کار میرود. این روش با استفاده از خواص کوانتومی، قابلیت حل مسائل گرافی پیچیده را فراهم میکند. مفهوم برتری کوانتومی، جایی که یک کامپیوتر کوانتومی در کارهای خاص از پیشرفتهترین ابررایانههای کلاسیک بهتر عمل میکند، از حدس و گمان نظری به واقعیت تجربی منتقل شده است.
اما گاهی برخی ناهماهنگی ها سبب می شود که یک یا تعدادی از جلسات یک درس ضبط نشود. ممنون دوره بسیار خوبی بود ولی متاسفانه قسمت های بعدی قرار داده نشده (جلسه سوم به بعد) و باید از جزوات استاد در وبسیاتشون استفاده کرد ، لطفا بقیه جلسات رو نیز قرار دهید.
برنامههای کوانتومی، با استفاده از مفاهیم فیزیک کوانتومی، محاسبات پیچیده را با سرعت بسیار بالاتری نسبت به رایانههای کلاسیک انجام میدهند. به همین دلیل، برنامهنویسی کوانتومی به عنوان یک حوزه جدید در علم رایانه شناخته شده است. در هر نقطه از یک مدار الکتریکی ابررسانا (یک شبکه از عنصر الکتریکیها)، تابع موج چگالش که توصیفکننده جریان بار الکتریکی است، با استفاده از عدد مختلط و دامنه احتمال تعریف میشود. در مدارهای الکتریکی رساناهای معمولی، همین توصیف برای حامل بارهای منفرد صادق است، اما در تحلیل ماکروسکوپی، توابع موج مختلف بهطور میانگین محاسبه میشوند و مشاهده اثرات کوانتومی غیرممکن میشود. بااینحال، تابع موج چگالش در طراحی و اندازهگیری اثرات کوانتومی ماکروسکوپی مفید است.مشابه تراز انرژیهای گسسته اتمی در مدل بور، تنها تعداد مشخصی از کوانتوم شار مغناطیسی میتواند به یک حلقه ابررسانا نفوذ کند. برخلاف پیادهسازیهای میکروسکوپی رایانههای کوانتومی (مانند اتمها یا فوتونها)، پارامترهای مدارهای ابررسانا با تنظیم مقادیر (کلاسیک) عناصر الکتریکی تشکیلدهنده آنها طراحی میشوند، برای مثال با تغییر ظرفیت خازنی یا ضریب خودالقایی.
در حالی که کامپیوترهای کوانتومی جهانی که قادر به حل طیف وسیعی از مسائل هستند هنوز در حال توسعه هستند، محاسبات الهام گرفته شده از کوانتوم مورد توجه قرار گرفته است. اینها کامپیوترهای کلاسیکی هستند که از اصول خاصی از محاسبات کوانتومی مانند برهم نهی و درهم تنیدگی برای دستیابی به بهبود عملکرد در وظایف خاص استفاده میکنند. الگوریتم های الهام گرفته از کوانتومی ممکن است به عنوان پلی بین محاسبات کلاسیک و کوانتومی عمل کنند و بر استراتژی های برنامه نویسی و رویکردهای محاسباتی تأثیر بگذارند. درهم تنیدگی، یکی دیگر از سنگ بناهای مکانیک کوانتومی، قابلیت های محاسباتی سیستم های کوانتومی را بیشتر میکند. در درهم تنیدگی، بدون توجه به فاصله فیزیکی بین آنها، حالت یک ذره با حالت ذره دیگر مرتبط میشود.
این تصویر متفاوت منجر به ایده ی فیزیک کوانتوم و رفتار متفاوت اتم ها با تعاریف فیزیک کلاسیک شد. خطوط طیفی گسسته نشان دهنده سطوح انرژی هر اتم است از حالت پایه به حالات برانگیخته. با ترسیم نمودار انرژی پتانسیل الکترون نسبت به شعاع اتم (فاصله الکترون تا هسته) می توان سطوح گسسته انرژی را بواسطه ایده فیزیک کوانتوم تشریح کرد. برنامهنویسی کوانتومی در دو دهه اخیر بصورت نظری بدون وجود سختافزار کوانتومی در حال توسعه بوده است. اکنون کامپیوتر کوانتومی در واقعیت در دسترس است و هر شخصی میتواند با آن کار کند. بیشتر این نرمافزارها در بستر پایتون توسعه یافتهاند و تیم آریا کوانتا علاوه بر آموزش نرمافزارهای موجود برنامهنویسی کوانتومی به توسعه برنامهنویسی کوانتومی خواهد پرداخت.
این روش با استفاده از خواص کوانتومی، قابلیت تولید اعداد تصادفی با دقت بالا را فراهم میکند. برای شبیهسازی و بررسی پدیدههای فیزیکی مانند فرایند پرتوزایی، برنامهنویسی کوانتومی به کار میرود. این روش با استفاده از خواص کوانتومی، قابلیت شبیهسازی دقیق پدیدههای فیزیکی را دارد. محاسبات کوانتومی شاخهای از علوم رایانه و فیزیک است که از اصول مکانیک کوانتومی برای انجام محاسبات استفاده میکند. برخلاف رایانههای کلاسیک که اطلاعات را به صورت بیت (۰ یا ۱) پردازش میکنند، رایانههای کوانتومی از واحدهای کوانتومی به نام کیوبیت استفاده میکنند. کیوبیتها میتوانند در حالتی به نام برهمنهی باشند، به این معنا که به طور همزمان میتوانند ۰ و ۱ باشند.
درس شماره یک با رایانش کوانتومی، مدلهای محاسبهی کوانتومی و آلگوریتمهای کوانتومی پایان مییابد. در درس دو عمدتاً به معرفیِ نظریهی اطلاعات کلاسیک و نظریهی اطلاعات کوانتومی میپردازیم و توضیح میدهیم که چگونه اطلاعات کلاسیک و کوانتومی فشرده میشوند و چگونه ظرفیتهای کانالهای کلاسیک و کوانتومی تعریف و محاسبه میشوند. در زبان برنامه نویسی Q# شما میتوانید از انواع مختلفی از دادهها، عملگرها و ابزار برای نوشتن برنامههای کوانتومی استفاده کنید. طراحی این زبان به گونهای است که هم قدرتمند باشد و هم کار با آن آسان باشد تا بتوانید دادهها را تغییر و ترکیب کنید یا حتی از ساختارهای پیچیدهتری استفاده کنید. به لطف فیلترشکن ها یا سرور مجازی یا هر روشی که میدانید IP خودتان را عوض کنید و حساب کاربری تان را فعال کنید. در اینجا اطلاعاتی را می بینید که در ورود به فضای ابری کامپیوتر کوانتومی مورد نیاز است پس از قسمت copy token توکن مخصوص به حساب خودتان را کپی کنید.
این زبان برنامهنویسی کوانتومی، کتابخانهای از ابزارهای کوانتومی در پایتون است که توسعه آن توسط یک گروه از محققان در دانشگاه دلفت انجام شده است. از ویژگیهای این زبان، قابلیت توسعه برنامههای کوانتومی با استفاده از سختافزارهای مختلف کوانتومی است. چشم انداز در حال تکامل سخت افزار کوانتومی، زبان های برنامه نویسی و الگوریتم ها نشان میدهد که محاسبات کوانتومی عملی یک چشم انداز دور نیست بلکه یک واقعیت قریب الوقوع است. همانطور که قلمروهای محاسبات کلاسیک و کوانتومی همگرا میشوند، پیامدهای برنامه نویسی عمیق هستند. از منسوخ شدن بالقوه روشهای رمزنگاری فعلی تا بهینهسازی وظایف پیچیده و تصور مجدد الگوریتمها، تأثیر محاسبات کوانتومی بر برنامهنویسی چندوجهی است.
آنها امیدوارند با برجسته کردن بایدها و نبایدهای ساخت و برنامه نویسی رایانه های کوانتومی، افراد خارج از این حوزه را در مورد قدرت فناوری کوانتومی و محدودیت های نهایی آن آموزش دهند. این زبان برنامهنویسی کوانتومی، قدیمیترین زبان برنامهنویسی کوانتومی است که در سال ۱۹۹۶ توسط یک گروه از محققان ایجاد شد. این زبان مبتنی بر C++ است و قابلیت توسعه برنامههای کوانتومی پیشرفته را به کاربران خود ارائه میدهد. برای شبیهسازی ترکیبات شیمیایی و بررسی ویژگیهای آنها، برنامهنویسی کوانتومی به کار میرود. این روش با استفاده از خواص کوانتومی، قابلیت شبیهسازی دقیق ترکیبات شیمیایی را فراهم میکند. این روش با استفاده از خواص کوانتومی، قابلیت حل مسائل بهینهسازی پیچیده را فراهم میکند.
این کتابخانه توسط تیمی از محققان و دانشمندان توسعه یافته است و طراحی شده است تا بررسی و تحلیل سیستمهای مکانیک کوانتومی را دسترسپذیرتر و کارآمدتر کند. در سالهای اخیر کامپیوترهای کوانتومی به عنوان رقیب محاسباتی کامپیوترهای کلاسیک از رونق بسیاری برخوردار شدهاند چرا که بهنوعی غیرممکنها در رایانش را برای ما ممکن کردهاند و ورود مباحث نظری به آزمایشگاه باعث شده است تا توجهها به سمت این فناوری جلب گردد. رایانههای کوانتومی با استفاده از قوانین کوانتومی توان پردازشی چند میلیون یا میلیارد برابری نسبت به کامپیوترهای کلاسیک به ما میدهند. همچنین دیگر حوزههای فناوری کوانتومی مانند توزیع کلید کوانتومی یا حسگرهای کوانتومی مزیتهای بیشماری نسبت به همنوعان کلاسیکی خود دارند. وقتی این آموزش را کامل کردید، میتوانید تئوری و عمل محاسبات کوانتومی را درک کنید، مدارهای خود را بنویسید و کدها را روی رایانههای کوانتومی واقعی اجرا کنید.
بخش کامپیوتر کوانتومی IBM مجموعه ای از گیت های (دروازه ها) موجود برای الگوریتم ها، گیت های فیزیکی واقعی پیاده سازی شده، نحوه اتصال کیوبیت ها و منابع نویز یا خطاها را پوشش می دهد. درهمتنیدگی حالتی است که در آن کیوبیتها به گونهای به یکدیگر مرتبط میشوند که وضعیت یک کیوبیت میتواند وضعیت دیگری را، حتی در فاصلهای زیاد، تحت تأثیر قرار دهد. اگرچه در کامپیوترهای کوانتومی ما با کیوبیت ها سروکار داریم اما بواسطه ی بیت های کلاسیک مدل مداری مان را ارایه می کنیم. در کد نویسی کوانتومی تعریف مدار کوانتومی (Quantum Circuits) حکم “hello world” را در کد نویسی متداول دارد. هر چند اتم ها ویژگی های منحصربفردی دارند اما همین ویژگی ها کنترل و نظارت بر نتیجه نهایی را پیچیده می کند بنابراین محققین به مهندسی اتم های مصنوعی روی آوردهاند.
این سطوح انرژی نه تنها گسسته اند بلکه در فواصل خاص و نابرابر( ناهماهنگ- Anharmonic) تقسیم شده اند. با این تفاسیر بواسطه تابش لیزر، واکنش اتم تنها در سطح پایه و سطح برانگیخته اول یعنی دو سطح خواهد بود و این ویژگی ما را قادر می سازد تا این دو سطح را ایزوله کرده و به مفهوم کیوبیت دست یابیم. نکته مهم در این مرحله ایزوله کردن زیرفضای کیوبیت از هرگونه نوفه یا نوسانات دمایی محیط برای حفظ وادوسی کوانتومی و سایر ویژگی های کوانتومی است در نهایت می توان کنترل و بازخوانی کوانتومی را تحقق بخشید. به نظر می رسد نزدیک ترین مثال واقعی و شهودی کاربرد کامپیوترهای کوانتومی همین مدل سازی باشد. کامپیوترهای کلاسیک به ندرت قادر به شبیه سازی یک مولکول هستند و این ضعف به همان گستردگی حالات ممکن برمی گردد بنابراین کامپیوترهای کلاسیک در شبیه سازی های شیمی (و در نهایت داروسازی) آنچنان قابل اعتماد نیستند. و این روزها ما به دانشی از کامپیوترهای کوانتومی رسیدیم که به خوبی قادر است مولکول های بسیاری را مدل سازی کند و این دانش روز به روز پیشرفته تر می شود.
برنامه نویسی پی ال سی