30 августа 2022

⚛️ Как стать программистом квантовых компьютеров

Веб-разработчик, фрилансер... Пишу об ИТ и смежных технологиях.
Вместе разберемся с программированием квантовых компьютеров и выясним, так ли страшен черт как его малюют.
⚛️ Как стать программистом квантовых компьютеров

Что такое квантовые вычисления?

Квантовые вычисления следует рассматривать как ASIC – «специальную интегральную схему, имеющую узкий круг применения, обусловленную определенным набором функций. Чтобы производить такие вычисления нужны специальные устройства – квантовые компьютеры. Это специализированный вычислительный ресурс, на который мы отправляем определенные задачи. Квантовые компьютеры обрабатывают информацию совершенно иначе, чем стандартные бинарные процессы в обычном компьютере. Они используют такие свойства, как «интерференция» , «суперпозиция» и «запутанность» и имеют преимущество при решении определенных видов задач.

Идея о создании квантового компьютера появилась у ученых еще в начале 80-х для решения наболевших вопросов, связанных с квантовой физикой. Но речь шла не о вычислительном устройстве, таком, как мы его знаем, а об устройстве, способном моделировать физические системы. На классическом компьютере их смоделировать крайне сложно, из-за нехватки мощностей, для расчета взаимодействия огромного числа частиц между собой и недостаточного количества памяти для хранения информации о квантовых состояниях таких систем.

Углубившись в эту проблему, ученые пришли к выводу, что для моделирования одной квантовой системы нужно разработать другую такую же.

При проведении измерений в квантовой системе мы манипулируем кубитами. Это наименьшая единица информации в квантовой машине, похожая на бит в обычном ПК. Но между ними есть существенная разница: бит может быть только в определенном состоянии, то есть промежуточных значений между 0 и 1 у него нет. Кубит также принимает стандартные значения 0 и 1, однако, в отличие от бита, он ими не ограничивается.

В квантовых компьютерах в качестве памяти применяется набор квантовых двухуровневых систем, способных быть разной физической природы и поэтому результат любого измерения – всегда принципиальная вероятность и это свойство квантовой теории занимает самые сильные умы человечества.

Что нужно знать о квантовых компьютерах

⚛️ Как стать программистом квантовых компьютеров

Квантовые ПК напоминают архаичные громоздкие вычислительные системы, поставляемые в огромных шкафах высотой около 3 м, занимающих по объему порядка 20 кубометров. При относительно небольших размерах главного квантового процессора, похожего на среднюю монету, 90% всего внутреннего пространства такого ящика составляют элементы систем охлаждения, использующие жидкий гелий для охлаждения квантового чипа до −273 °C и экранирования для защиты от внешних факторов.

Хотя с помощью такого устройства можно легко работать с классическими алгоритмами, оно в большинстве случаев применяется для расчета процессов, имеющих квантовую природу и одним из важнейших применений таких сложных агрегатов является — физическое моделирование.

К примеру, вам необходимо рассчитать свойства молекул для производства неорганических светодиодов новой серии современных мониторов. Такая сложная задача требует грамотных расчетов, экспериментов, затрат по времени и деньгам. А в итоге может оказаться, что данный тип материала вам совсем не подойдет, а большое количество перечисленных нами ресурсов уже потрачено впустую.

Вот тут нам и понадобится применение квантовых технологий, сокращающих основные издержки за счет применения виртуальных экспериментов. Справедливости ради надо отметить, что на сегодняшний день квантовые компьютеры могут разработать модель только несложных молекул, но прогресс не стоит на месте и применение таких устройств при физическом, химическом и биологическом моделировании – безусловный тренд.

Больше полезных материалов вы найдете на нашем телеграм-канале «Библиотека программиста»

Что нужно знать, чтобы стать программистом квантовых компьютеров

⚛️ Как стать программистом квантовых компьютеров

Квантовые компьютеры работают при очень низких температурах, при которых процессор работает как сверхпроводник. Квантовые компьютеры способны ускорять процессы машинного обучения, сокращая тысячи лет обучения до считаных секунд. Поэтому неудивительно, что ими всерьез заинтересовались такие ИТ-воротилы как IBM и Google. Однако чтобы войти в эту индустрию разработчику, помимо всего прочего, нужно знать еще и языки квантового программирования — как основу для интерпретации идей в инструкции для квантовых ПК. Давайте вместе попробуем разобраться, что это за звери такие:

QCL (Quantum computing language)

Один из первых реализованных языков квантового программирования, отдаленно напоминающий язык C в отношении синтаксиса и типов данных. Обычно используется для написания программ для квантовых компьютеров и поскольку каждая квантовая машина управляется обычным ПК, включает в себя стандартные составляющие языка программирования (функции, циклы и так далее). С его помощью можно работать как с классическими, так и квантовыми данными.

QMASM (Quantum macro assembler)

Квантовый макроассемблер был создан в 2016 году. Это своего рода низкоуровневый язык, специально используемый для квантового отжига. QMASM избавляет программиста от необходимости знать детали аппаратного обеспечения, специфичные для системы и в то же время позволяет разрабатывать программы на низком уровне абстракции.

Silq

Silq был создан в 2020 году и в отличие от QCL и QMASM – это язык программирования высокого уровня. Он написан на D, имеет 550 звезд на github и регулярно обновляется.

QML

Этот квантовый язык программирования, разработанный в 2007 году, очень похож на Haskell, ведь в его основе лежит строгая линейная логика. Он имеет возможность интегрировать обратимые и необратимые квантовые вычисления. С его помощью можно создавать высокопроизводительные, плавно анимированные и визуально привлекательные приложения.

Quantum Lambda Calculus

Язык основан на классическом лямбда-исчислении, которое начали применять для цифровых вычислений еще с 1996 года. По сравнению с уже рассмотренными, он определенно более сложный и работает с такими моделями, как квантовая машина Тьюринга или технологиями, использующими модель квантовой цепи.

QFC и QPL

Семантически эти языки квантового программирования эквивалентны. Однако в QFC квантовые программы представляются с использованием синтаксиса блок-схем, а в синтаксической структуре QPL программы представлены с помощью текста.

Всем хороши эти языки, однако у них все же есть два главных недостатка:

  1. Все они достаточно сырые и недоработанные, ведь рассматриваемые технологии все еще находятся в зачаточном состоянии, поэтому, применяя их, довольно непросто работать со сложными квантовыми алгоритмами.
  2. Сложно тестировать написанные на них кодовые конструкции, ведь как мы уже говорили, квантовая теория не до конца изучена.

Комплекты для разработки квантового программного обеспечения

Также стоит отметить, что независимо от того, использует ли разработчик императивные, функциональные или мультипарадигменные языки для написания квантового алгоритма, любому такому ПО для создания, запуска и управления приложением требуется программная среда (SDK), которая обычно имеет открытый исходный код и написана в большинстве случаев на Python.

***

Если после прочтения статьи у вас все еще осталось желание постичь тайны мироздания и физических процессов, лежащих в основе всего сущего, тогда держите список полезной литература по квантовому делу:

  1. Программирование квантовых компьютеров. Базовые алгоритмы и примеры кода, Джонстон, Химено-Сеговиа, Хэрриган 2020 г.
  2. Разработка с использованием квантовых компьютеров, Владимир Силва 2019 г.
  3. Танец с кубитами. Как на самом деле работают квантовые вычисления, Роберт Сатор 2022 г.
  4. Квантовые вычисления для настоящих айтишников, Крис Бернхард 2019 г.

Квантовый компьютер — это довольно специфическое устройство, которое полезно только для решения определенных задач, и далеко не с любой вычислительной задачей он справится лучше классического.

Но одно можно сказать с уверенностью – они приближают человечество к разгадке непостижимых физических процессов природы, тайны которых ученым всего мира до этого момента было не под силу разгадать!

Материалы по теме

МЕРОПРИЯТИЯ

Комментарии

ВАКАНСИИ

Добавить вакансию
DevOps
от 350000 RUB
Backend Lead (Python, Django)
по итогам собеседования

ЛУЧШИЕ СТАТЬИ ПО ТЕМЕ