Eine Einführung in Quantum Computing mit Open Source Cirq Framework

Wie der Titel andeutet, worüber wir zu diskutieren beginnen, ist dieser Artikel ein Versuch zu verstehen, wie weit wir im Bereich Quantum Computing gekommen sind und wohin wir uns auf diesem Gebiet bewegen, um die wissenschaftliche und technologische Forschung durch eine Open-Source-Perspektive mit zu beschleunigen Cirq.

Zunächst werden wir Ihnen die Welt des Quantum Computing vorstellen. Wir werden unser Bestes geben, um die Grundidee zu erklären, die dahinter steckt, bevor wir untersuchen, wie Cirq eine wichtige Rolle in der Zukunft von Quantum Computing spielen wird. Cirq hat, wie Sie vielleicht in letzter Zeit gehört haben, Neuigkeiten auf diesem Gebiet gebracht, und in diesem Open Science-Artikel werden wir versuchen herauszufinden, warum.

Bevor wir mit Quantum Computing beginnen, ist es wichtig, den Begriff Quantum zu kennen, dh ein subatomares Teilchen, das sich auf die kleinste bekannte Entität bezieht. Das Wort Quantum basiert auf dem lateinischen Wort Quantus und bedeutet „wie wenig“, wie in diesem kurzen Video beschrieben:

Es wird uns leichter fallen, Quantum Computing zu verstehen, wenn wir es zuerst mit Classical Computing vergleichen. Klassisches Rechnen bezieht sich auf die Funktionsweise heutiger herkömmlicher Computer. Das Gerät, mit dem Sie diesen Artikel gerade lesen, kann auch als klassisches Computergerät bezeichnet werden.

Klassisches Rechnen

Das klassische Rechnen ist nur eine andere Möglichkeit, die Funktionsweise eines herkömmlichen Computers zu beschreiben. Sie arbeiten über ein binäres System, dh Informationen werden entweder mit 1 oder 0 gespeichert. Unsere klassischen Computer können keine andere Form verstehen.

Wörtlich kann ein Transistor innerhalb des Computers entweder ein (1) oder aus (0) sein. Alle Informationen, für die wir Eingaben bereitstellen, werden in Nullen und Einsen übersetzt, damit der Computer diese Informationen verstehen und speichern kann. Alles wird nur mit Hilfe einer Kombination von Nullen und Einsen dargestellt.

Quanten-Computing

Quantum Computing hingegen folgt keinem „Ein oder Aus“ -Modell wie Classical Computing. Stattdessen kann es mithilfe zweier Phänomene, die als Überlagerung und Verflechtung bezeichnet werden, mehrere Informationszustände gleichzeitig verarbeiten. Dadurch wird die Datenverarbeitung erheblich beschleunigt und die Produktivität bei der Informationsspeicherung gesteigert.

Bitte beachten Sie, dass Überlagerung und Verwicklung nicht dasselbe Phänomen sind.

Wenn wir also Bits in Classical Computing haben, dann hätten wir im Fall von Quantum Computing stattdessen Qubits (oder Quantenbits). Um mehr über den großen Unterschied zwischen den beiden zu erfahren, lesen Sie diese Seite, auf der das obige Bild zur Erklärung abgerufen wurde.

Quantencomputer werden unsere klassischen Computer nicht ersetzen. Es gibt jedoch einige gewaltige Aufgaben, die unsere klassischen Computer niemals bewältigen können, und dann würde sich Quantum Computers als äußerst einfallsreich erweisen. Das folgende Video beschreibt dasselbe im Detail und beschreibt auch, wie Quantum-Computer funktionieren:

Ein umfassendes Video zu den Fortschritten im Bereich Quantum Computing:

Noisy Intermediate Scale Quantum

Laut dem kürzlich aktualisierten Forschungsbericht (31. Juli 2018) bezieht sich der Begriff „laut“ auf Ungenauigkeiten, weil durch die unvollständige Kontrolle über Qubits ein falscher Wert erzeugt wird. Diese Ungenauigkeit ist der Grund dafür, dass es ernsthafte Einschränkungen dafür geben wird, was Quantum-Geräte in naher Zukunft leisten können.

"Intermediate Scale" bezieht sich auf die Größe von Quantencomputern, die in den nächsten Jahren verfügbar sein werden. Die Anzahl der Qubits kann zwischen 50 und einigen hundert liegen. 50 Qubits sind ein wichtiger Meilenstein, da dies über das Maß hinausgeht, das mit den leistungsstärksten vorhandenen digitalen Supercomputern mit brachialer Gewalt simuliert werden kann. Lesen Sie mehr in der Zeitung hier.

Mit dem Aufkommen von Cirq wird sich eine Menge ändern.

Was ist Cirq?

Cirq ist ein Python-Framework zum Erstellen, Bearbeiten und Aufrufen von NISQ-Schaltungen (Noisy Intermediate Scale Quantum), über die wir gerade gesprochen haben. Mit anderen Worten, Cirq kann Herausforderungen angehen, um die Genauigkeit zu verbessern und das Rauschen in Quantum Computing zu reduzieren.

Für die Ausführung von Cirq ist nicht unbedingt ein Quantum-Computer erforderlich. Cirq kann auch eine simulatorähnliche Schnittstelle verwenden, um Quantenschaltungssimulationen durchzuführen.

Cirq nimmt nach und nach Fahrt auf. Einer der ersten Anwender ist Zapata, der im vergangenen Jahr von einer Gruppe von Wissenschaftlern der Harvard University mit dem Schwerpunkt Quantum Computing gegründet wurde.

Erste Schritte mit Cirq unter Linux

Die Entwickler der Open Source Cirq-Bibliothek empfehlen die Installation in einer virtuellen Python-Umgebung wie virtualenv. Die Installationsanleitung der Entwickler für Linux finden Sie hier.

Wir haben Cirq jedoch erfolgreich auf einem Ubuntu 16.04-System direkt für Python3 installiert und getestet.

Cirq unter Ubuntu installieren

Erstens benötigen wir pip oder pip3, um Cirq zu installieren. Pip ist ein Tool, das zum Installieren und Verwalten von Python-Paketen empfohlen wird.

Für Python 3.x-Versionen kann Pip installiert werden mit:

sudo apt-get install python3-pip 

Python3-Pakete können installiert werden über:

 pip3 install 

Wir haben die Cirq-Bibliothek mit Pip3 für Python3 installiert:

 pip3 install cirq 

Aktivieren der Plot- und PDF-Generierung (optional)

Optionale Systemabhängigkeiten, die mit pip nicht installierbar sind, können installiert werden mit:

 sudo apt-get install python3-tk texlive-latex-base latexmk 
  • python3-tk ist eine Python-eigene Grafikbibliothek, die Plotterfunktionen ermöglicht.
  • texlive-latex-base und latexmk ermöglichen PDF-Schreibfunktionen.

Später haben wir Cirq erfolgreich mit dem folgenden Befehl und Code getestet:

 python3 -c 'import cirq; print(cirq.google.Foxtail)' 

Wir haben die resultierende Ausgabe als:

Pycharm IDE für Cirq konfigurieren

Wir haben auch eine Python IDE PyCharm unter Ubuntu konfiguriert, um die gleichen Ergebnisse zu testen:

Da wir Cirq für Python3 auf unserem Linux-System installiert haben, haben wir den Pfad zum Projektinterpreter in den IDE-Einstellungen wie folgt festgelegt:

 /usr/bin/python3 

In der obigen Ausgabe können Sie feststellen, dass der Pfad zum Projektinterpreter, den wir gerade festgelegt haben, zusammen mit dem Pfad zur Testprogrammdatei (test.py) angezeigt wird. Ein Exit-Code von 0 zeigt an, dass das Programm ohne Fehler erfolgreich ausgeführt wurde.

Das ist also eine einsatzbereite IDE-Umgebung, in der Sie die Cirq-Bibliothek importieren können, um mit der Programmierung mit Python zu beginnen und Quantum-Schaltungen zu simulieren.

Beginnen Sie mit Cirq

Ein guter Anfang sind die Beispiele, die auf der Github-Seite von Cirq zur Verfügung gestellt wurden.

Die Entwickler haben dieses Tutorial in GitHub aufgenommen, um mit dem Erlernen von Cirq zu beginnen. Wenn Sie Quantum Computing ernsthaft lernen möchten, empfehlen sie ein hervorragendes Buch mit dem Titel „Quantum Computation and Quantum Information“ von Nielsen und Chuang.

OpenFermion-Cirq

OpenFermion ist eine Open-Source-Bibliothek zum Abrufen und Bearbeiten von Darstellungen fermionischer Systeme (einschließlich Quantenchemie) für die Simulation auf Quantencomputern. Fermionische Systeme sind mit der Erzeugung von Fermionen verwandt, die laut Teilchenphysik der Fermi-Dirac-Statistik folgen.

OpenFermion wurde als großartiges Übungswerkzeug für Chemiker und Forscher in der Quantenchemie gefeiert. Der Schwerpunkt der Quantenchemie liegt in der Anwendung der Quantenmechanik in physikalischen Modellen und Experimenten chemischer Systeme. Die Quantenchemie wird auch als molekulare Quantenmechanik bezeichnet.

Das Aufkommen von Cirq hat es OpenFermion nun ermöglicht, seine Funktionalität zu erweitern, indem Routinen und Tools zum Kompilieren und Komponieren von Schaltkreisen für Quantensimulationsalgorithmen mit Cirq bereitgestellt wurden.

Google Bristlecone

Am 5. März 2018 präsentierte Google Bristlecone, seinen neuen Quantenprozessor, auf dem jährlichen Treffen der American Physical Society in Los Angeles. Das Gate-basierte supraleitende System bietet eine Testplattform für die Erforschung der Systemfehlerraten und der Skalierbarkeit der Qubit-Technologie von Google sowie für Anwendungen in der Quantensimulation, -optimierung und beim maschinellen Lernen.

In naher Zukunft will Google seine 72-Qubit-Bristlecone-Quantum-Prozessor-Cloud verfügbar machen. Bristlecone wird nach und nach in der Lage sein, eine Aufgabe auszuführen, die ein klassischer Supercomputer nicht in angemessener Zeit erledigen kann.

Cirq würde es Forschern erleichtern, Programme für Bristlecone direkt in die Cloud zu schreiben. Dies wäre eine sehr praktische Schnittstelle für die Echtzeit-Quantum-Programmierung und -Tests.

Mit Cirq können wir:

  • Feinabstimmung der Steuerung von Quantum-Schaltkreisen
  • Festlegen des Gate-Verhaltens mithilfe nativer Gates
  • Platzieren Sie die Tore richtig auf dem Gerät und
  • Planen Sie das Timing dieser Tore.

Die Open Science Perspektive auf Cirq

Wie wir alle wissen, ist Cirq Open Source auf GitHub, und seine Ergänzung zu den Open Source Scientific Communities, insbesondere denjenigen, die sich auf Quantum Research konzentrieren, kann nun effizient zusammenarbeiten, um die aktuellen Herausforderungen im Bereich Quantum Computing zu lösen, indem neue Wege zur Reduzierung der Fehlerraten entwickelt werden und die Genauigkeit in den vorhandenen Quantum-Modellen verbessern.

Wäre Cirq nicht einem Open Source-Modell gefolgt, wären die Dinge definitiv viel herausfordernder gewesen. Eine großartige Initiative wäre verpasst worden und wir wären im Bereich Quantum Computing keinen Schritt näher gekommen.

Zusammenfassung

Zusammenfassend haben wir Sie zum ersten Mal mit dem Konzept des Quantum Computing vertraut gemacht, indem wir es mit den vorhandenen klassischen Computertechniken verglichen und anschließend ein sehr wichtiges Video über die jüngsten Entwicklungsupdates in Quantum Computing seit letztem Jahr gezeigt haben. Wir haben dann kurz über Noisy Intermediate Scale Quantum gesprochen, wofür Cirq speziell entwickelt wurde.

Wir haben gesehen, wie wir Cirq auf einem Ubuntu-System installieren und testen können. Wir haben die Installation auch auf Benutzerfreundlichkeit in einer IDE-Umgebung mit einigen Ressourcen getestet, um mit dem Erlernen des Konzepts zu beginnen.

Schließlich haben wir auch zwei Beispiele gesehen, wie Cirq ein wesentlicher Vorteil für die Entwicklung der Forschung im Bereich Quantum Computing sein könnte, nämlich OpenFermion und Bristlecone. Wir haben die Diskussion abgeschlossen, indem wir einige Gedanken zu Cirq mit einer offenen wissenschaftlichen Perspektive beleuchtet haben.

Wir hoffen, dass wir Ihnen Quantum Computing mit Cirq auf leicht verständliche Weise vorstellen konnten. Wenn Sie Feedback dazu haben, teilen Sie uns dies bitte im Kommentarbereich mit. Vielen Dank für das Lesen und wir freuen uns, Sie in unserem nächsten Open Science-Artikel zu sehen.

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