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量子计算开源开发工具包Qiskit发布,支持Python编程和DOcplex建模

时间:2021-02-17 作者:Maurizio Di Paolo Emilio 阅读:
经典计算的优化花费了超过50年的时间,进展到让使用者只要用几行程序代码就能打造一个应用程序或网站的程度;量子计算在接下来两三年也必须经历类似的过程。
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量子计算机的问世衍生了对容易取得与使用的开发环境之需求,为此IBM最新发布了开源软件开发工具包Qiskit,旨在建立一个让使用者不须烦恼底层技术复杂性的编程环境。未来一个程序会得利用大量的量子与经典计算资源,因此相关解决方案必须以光速进行优化。

IBM Quantum的Quantum Platform部门主管Blake Johnson在接受《EE Times》访问时表示,量子技术正展现巨大成功,需要着眼未来的广泛应用为其奠定软件基础。Qiskit是一个专为量子电路与算法打造的开源框架,这种软件接口能让开发者利用Python编写量子算法。此外,开发者可以将不同量子计算机之间的互动请求分组。

“量子计算的动力来自量子电路,”Johnson表示:“量子电路能计算利用经典计算机难以处理或无法处理的数据量,这也是量子计算主要的价值主张。而优良的量子电路不只是基于量子位(qubit)的宽度或是数量,还有其深度。”

IBM的量子计算云端平台IBM Quantum Experience之目标是带来附加价值,好让一开始透过OpenQASM程序语言进行的编程,在底层量子位的逻辑运作(量子栅)层级提供一个表象(representation),从而保证量子电路的发展。

“随后,我们提供研究人员了解实际硬件上噪声(noise)的可能性,并透过减少错误来设计更好的量子栅;”Johnson表示:“我们最近发表了Qiskit优化模型,也展开了我们迈向零摩擦量子体验的旅程。”

“在软件开发方面,打造核心工具、培养算法开发者,是实现更高质量系统之过程的一部分,这牵涉建构更好的量子栅或更好的电路;”他补充:“这些让我们能扩展系统的力量,目标不只是制造一台好的装置,还要能做一些对执行某些特定操作的人们来说有用的事情。”

“今日有很多软件开发者生产力都非常高,在做很多有用的工作时都没有考虑到晶体管物理学,或者是微码(microcode)与组合码(assembly code),这些都是与程序设计师互动之某些抽象(abstractions)的基础;”Johnson接着指出:“当量子计算具备实际的影响力,将会出现相同的障碍,让那些系统具备生产力。”

量子技术

经典计算的优化花费了超过50年的时间,进展到让使用者只要用几行程序代码就能打造一个应用程序或网站的程度;量子计算在接下来两三年也必须经历类似的过程。

传统的计算工作是以0与1进行,量子计算则以量子位来代表1或是0,或是同时可以代表两者。这种重迭能让两个量子位已无法用个别元素来解释的方法执行,这种行为称为纠缠(entanglement,或译为“缠结”)。

在几年前才实现能可靠管理不同量子系统之运作与连网的能力,今日我们已经能增加量子位的数量,这都拜科学与工程领域的研究人员们的非凡努力。这些最新进展显示了我们正在快速实现可取得的量子系统,能为解决问题带来显著的好处。

经典处理器是以乘载位信息(状态)的线路以及改变位状态的逻辑栅所组成,要被当成计算机使用的量子系统也是由线路所组成;那些线路用于指示在不同的量子栅间的量子位传输、经过的时间或量子栅。逻辑栅则意味着则单一量子位或是多个系统。

问题在于很难维持量子系统的稳定,因为即使是最小的外部扰乱都可能会干扰并因此破坏系统的运作。许多研究人员已经开发了通讯协议,以降低这种错误并控制多个量子系统。IBM的目标是打造强韧的量子计算生态系统,包括开源软件工具、近期系统的应用程序,以及针对量子技术社群的教育材料。

Qiskit模型

为了壮大包含量子研究人员与应用程序开发的生态系统,IBM推出了Qiskit项目,即支持量子计算机编程与使用的开源软件开发工具包。该软件工具套件的功能性持续增加,目前能让使用者打造量子计算程序,并让它们在IBM真实的量子处理器或是可在在线存取的量子仿真器上执行。

Qiskit优化模型支持简单、高效率的优化问题建模,利用IBM的Decision Optimization CPLEX (DOcplex)建模工具。程序设计师只需要以他们平常的方式来写程序。今日的软件开发者不需要顾虑电子零组件例如逻辑组件与MOSFT,同样的,新发表的模型利用一个标准量子电路数据库优化资源,抽象编程的某个层级。

Qiskit为量子电路层级的程序提供一组程序代码工具,赋予远程访问的后台设备执行与管理的功能。该模型开发的目的是在短时间内推动量子计算机算法的研发与基准检验,可借助Qiskit提供之基础量子算法,解决不同类型的问题。

Qiskit的运作原理。

(图片来源:IBM)

对于那些并非量子理论或量子力学──为量子计算机的基础──专家的人来说,IBM的工具会非常容易使用;因此Qiskit有助于扩展量子技术开发社群,企业将能利用相关资源因应业务需求。该网络平台也提供课程,说明开发者如何能将优化问题建模。

IBM是透过与云端实验平台之间的用户接口,提供了一个实用的解决方案;该界面允许用户为自己的研究使用量子位、执行算法,并探索量子技术的教学课程与仿真软件工具。如Johnson表示,接下来的挑战主要在于针对不同领域的新应用模型;“这项工作将能让我们加快在不同应用领域的算法解决方案,但也会是其他模型的催化剂。”

“另一项创新是,我们的软件系统架构优化,能更有效支持典型量子工作负载,让我们的系统能不只是接受电路而是一个程序;”他接着指出:“还有程序可更互动、有效地利用量子资源的方式。”

在未来几年,具备100个或更多量子位的量子计算机,将能执行超越目前经典超级计算机能力的任务,但是量子架构中的噪声会限制其性能表现;因此首要挑战是维持量子位质量,而研究人员的任务还包括提出新的解决方案,包括软件和硬件,让编程更容易。

编译:Judith Cheng, EETimes Taiwan

责编:Luffy Liu

(参考原文:Open-Source Framework for Quantum Computing,by Maurizio Di Paolo Emilio)

 

 

  • 中国在量子计算机领域怎么没有这方面的报道。难道我们还要跟他们跑吗?
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