IBM Quantum Challenge 2021: นี่คือสิ่งที่จะเกิดขึ้น

RPA

ปีนี้เป็นปีพิเศษ — เป็นวันครบรอบ 40 ปีของการประชุม Physics of Computation Conferenceซึ่งจัดขึ้นที่ Endicott House ของ MIT ซึ่งนักคิดระดับแนวหน้าในยุคนั้นบางคนเริ่มพิจารณาอุปกรณ์คอมพิวเตอร์ที่มีพื้นฐานมาจากกฎทางคณิตศาสตร์ของกลศาสตร์ควอนตัมอย่างจริงจัง นอกจากนี้ยังเป็นวันครบรอบห้าปีที่ IBM Quantum วางคอมพิวเตอร์ควอนตัมไว้บนคลาวด์สำหรับทุกคนที่ใช้ ซึ่งนำไปสู่การก่อตัวของชุมชน Qiskit แบบโอเพ่นซอร์สระดับโลกที่เน้นการเขียนโปรแกรมคอมพิวเตอร์ควอนตัม ความท้าทายนี้จะเฉลิมฉลองวันครบรอบเหล่านี้โดยนำเสนอแบบฝึกหัดคอมพิวเตอร์ควอนตัมห้าแบบ โดยแต่ละส่วนจะล้อมรอบแง่มุมของประวัติศาสตร์คอมพิวเตอร์ควอนตัม

ระบบจัดการภายใน

คอมพิวเตอร์ควอนตัมมาไกลตั้งแต่ริชาร์ด ไฟน์แมนกล่าวว่า “ธรรมชาติไม่ได้คลาสสิก แย่จัง และถ้าคุณต้องการสร้างแบบจำลองของธรรมชาติ คุณควรทำให้มันเป็นกลไกควอนตัม” ในช่วง 40 ปีที่ผ่านมา นักฟิสิกส์ได้ออกแบบสถาปัตยกรรมพิมพ์เขียวว่าเครื่องจำลองดังกล่าวทำงานอย่างไร ได้คิดค้นอัลกอริธึมที่คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถเอาชนะคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิก สร้างฮาร์ดแวร์ทางกายภาพ ค้นพบแผนการแก้ไขข้อผิดพลาดสำหรับฮาร์ดแวร์นั้น และเริ่มตระหนักถึงวิสัยทัศน์ของไฟน์แมน ด้านล่างนี้ คุณจะพบภูมิหลังบางประการเกี่ยวกับปัญหาแต่ละข้อของ IBM Quantum Challenge ที่มีความสำคัญต่อประวัติการคำนวณควอนตัม ในตอนท้ายของแต่ละส่วน คุณยังสามารถค้นหาสื่อการเรียนรู้ที่เกี่ยวข้องเพื่อเตรียมการได้อีกด้วย
1980: ประตูทอฟโฟลี
ในบรรดาธีมของการประชุมฟิสิกส์การคำนวณปี 1981 คือการควบคุมคุณสมบัติของระบบทางกายภาพอาจช่วยปรับปรุงการประมวลผลคอมพิวเตอร์ได้อย่างไร โดยเฉพาะอย่างยิ่ง แนวคิดในการเขียนทับหรือลบข้อมูลในการคำนวณนั้นแตกต่างอย่างมากจากวิธีที่ระบบทางกายภาพพัฒนาขึ้นเมื่อเวลาผ่านไปในโลกแห่งความเป็นจริง งานวิจัยนี้กระตุ้นให้เกิดแนวทางใหม่ที่เรียกว่าการประมวลผลแบบย้อนกลับ ซึ่งเสนอความเป็นไปได้ของอุปกรณ์ที่มีประสิทธิภาพด้านพลังงานมากขึ้น ในการคิดเกี่ยวกับธีมนี้ Tommaso Toffoli ได้คิดค้นเกท AND และ NAND ของการประมวลผลแบบคลาสสิกแบบย้อนกลับได้ ซึ่งปัจจุบันเรียกว่า Toffoli หรือเกทที่ควบคุมโดยไม่ได้ควบคุม นี่คือประตูสากลสำหรับการคำนวณแบบคลาสสิก หมายความว่าโปรแกรมใด ๆ สามารถสร้างได้จากหลาย ๆ กรณีของเกทนี้
ในไม่ช้าแนวคิดของวิธีการคำนวณที่มีแรงจูงใจทางกายภาพนั้นเป็นมากกว่ารูปแบบการคำนวณแบบคลาสสิกที่ย้อนกลับได้ ด้วยการควบคุมพฤติกรรมที่เป็นเอกลักษณ์ของฟิสิกส์ควอนตัม นักฟิสิกส์จึงตระหนักว่าพวกเขาสามารถสร้างกระบวนทัศน์การคำนวณแบบใหม่ได้อย่างสมบูรณ์ จากการทำงานที่มีอยู่เกี่ยวกับการคำนวณแบบย้อนกลับ การใช้งานควอนตัมของประตู Toffoli กลายเป็นหนึ่งในองค์ประกอบแรกเริ่มสำหรับการคำนวณควอนตัม แม้ว่าจะไม่เป็นสากลสำหรับการคำนวณควอนตัมในตัวเอง แต่ความเป็นสากลแบบคลาสสิกทำให้มันสำคัญมากสำหรับงานต่างๆ เช่น การสร้างคำพยากรณ์ควอนตัม
ปัญหาแรกของ IBM Quantum Challenge นำเสนอแนวคิดเกี่ยวกับลอจิกเกท ซึ่งเป็นการดำเนินการที่ทำงานบนบิต และขยายไปสู่ควอนตัมบิต ควอนตัมเกทสตริงควอนตัมบิตเป็นวงจร ซึ่งเป็นหน่วยหลักของการคำนวณควอนตัม ปัญหานี้ครอบคลุมถึงแต่ละประตูที่สำคัญที่สุดและวิธีรวมเข้าด้วยกันเพื่อสร้างประตู Toffoli
คุณสามารถเรียนรู้พื้นฐานของประตูควอนตัมในบทที่ 1และ2ของตำรา Qiskit และบรรยาย 1-3ในQiskit ทั่วโลกเรียนภาคฤดูร้อน (QGSS) 2020 หากคุณยังใหม่กับ Qiskit ให้ลองดูตอน Hello Worldของ Coding with Qiskit Season 1 เพื่อระบุว่าคุณเขียนโปรแกรมควอนตัมครั้งแรกของคุณ!
1994: อัลกอริทึมของชอร์
บทสนทนาที่ Endicott House อาจทำให้จิตใจเปลี่ยนไป แต่คอมพิวเตอร์ควอนตัมยังคงอาศัยอยู่ในขอบเขตของการทดลองทางความคิดเป็นหลัก จนกระทั่ง Peter Shor เปิดตัวอัลกอริธึมที่มีชื่อเดียวกัน อัลกอริธึมนี้ใช้วงจรควอนตัมเพื่อแก้ปัญหาการหาคาบ หรือจำนวนฟังก์ชันที่ทำซ้ำในช่วงเวลาที่กำหนด แต่ยังช่วยให้ตัวแก้แยกตัวประกอบตัวเลขได้เร็วกว่าคอมพิวเตอร์ทั่วไป อัลกอริธึมของ Shor พิสูจน์ว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถมีแอปพลิเคชันที่สำคัญนอกเหนือจากการจำลองฟิสิกส์ และจะเป็นแนวทางที่คุ้มค่าสำหรับการคำนวณโดยรวม
คอมพิวเตอร์ควอนตัมมีขนาดใหญ่พอที่จะแยกตัวประกอบจำนวนมาก เช่น ตัวเลขจำนวนมากที่รูปแบบการเข้ารหัส RSA ที่แพร่หลายเข้ารหัสข้อมูล มีแนวโน้มว่าจะอยู่ห่างออกไปหลายปี อย่างไรก็ตาม Lieven MK Vandersypen, Matthias Steffen, Gregory Breyta, Costantino S. Yannoni, Mark H. Sherwood และ Isaac L. Chuang สามารถสาธิตฮาร์ดแวร์แฟคตอริ่งหมายเลข 15 ได้ตั้งแต่ต้นปี 2001 และคุณสามารถใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมเพื่อแยกตัวประกอบขนาดเล็ก ตัวเลขด้วยอัลกอริทึมของ Shor วันนี้ ปัญหาที่สองของ IBM Quantum Challenge ต้องการให้คุณใช้อัลกอริทึมของ Shor เพื่อแยกตัวประกอบตัวเลข 35 บนอุปกรณ์จริง

management system

สำหรับการแนะนำอัลกอริธึมของ Shor อย่างรวดเร็ว คุณสามารถรับชมตอนที่ 7จาก Coding with Qiskit ซีซั่น 2 หรืออ่านบทที่ 3.7ของหนังสือเรียน Qiskit ได้ หากคุณต้องการได้รับความเข้าใจที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นบทบรรยายที่ 7 ถึง 12ใน QGSS 2020 จะนำคุณผ่านการสร้างอัลกอริทึมของ Shor ได้แก่ การแปลงควอนตัมฟูริเยร์ การประมาณเฟสควอนตัม และปัญหาในการค้นหาช่วงเวลา
1995: การแก้ไขข้อผิดพลาดควอนตัม
อัลกอริธึมของ Shor ทำให้คอมพิวเตอร์ควอนตัมเป็นกรณีการใช้งานที่คุ้มค่า — แต่ความดังโดยธรรมชาติของกลศาสตร์ควอนตัมหมายความว่าการสร้างฮาร์ดแวร์ที่สามารถใช้อัลกอริทึมดังกล่าวได้จะเป็นการต่อสู้ครั้งใหญ่ คอมพิวเตอร์คลาสสิกมักจะมีความซ้ำซ้อนในบิตเพื่อหลีกเลี่ยงข้อผิดพลาด อย่างไรก็ตาม คอมพิวเตอร์ควอนตัมนั้นละเอียดกว่า การวัด qubit จะทำลายสถานะควอนตัมของมัน และทฤษฎีบทที่ไม่มีการโคลนนิ่งทำให้คุณไม่สามารถทำสำเนาสถานะควอนตัมได้อย่างแม่นยำ แต่ในปี 1995 Shor ได้เผยแพร่เอกสารสำคัญอีกฉบับหนึ่ง: โครงการที่แบ่งปันข้อมูลควอนตัมผ่านหลาย ๆ qubits เพื่อลดข้อผิดพลาด ทุกวันนี้ รูปแบบการแก้ไขข้อผิดพลาดเป็นหนึ่งในส่วนที่สำคัญที่สุดของการวิจัยและพัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัม
การแก้ไขข้อผิดพลาดขึ้นอยู่กับแนวคิดของรหัสแก้ไขข้อผิดพลาด หรือกลยุทธ์ในการเข้ารหัสค่า qubit จริงหลายค่าให้เป็นค่า qubit โดยรวมหนึ่งค่า ปัญหาที่สามไม่เพียงแต่ต้องติดตั้งโค้ดนี้เท่านั้น แต่ยังต้องคำนึงถึงการแก้ไขข้อผิดพลาดในแบบที่นักวิจัยควอนตัมทำ โดยปรับแต่งรูปแบบการแก้ไขข้อผิดพลาดให้เข้ากับตัวประมวลผลควอนตัมเฉพาะ
คุณสามารถเรียนรู้พื้นฐานของการแก้ไขข้อผิดพลาดควอนตัมโดยใช้รหัสการทำซ้ำอย่างง่ายในบทที่ 5.1ของตำรา Qiskit และการบรรยายที่ 13 ถึง 15ใน QGSS 2020
2007: ส่ง Qubits
ตามเอกสารการแก้ไขข้อผิดพลาดของ Shor นักวิทยาศาสตร์เริ่มมองหาระบบที่แสดงพฤติกรรมควอนตัมที่ควบคุมได้เพื่อใช้เป็นคิวบิตของคอมพิวเตอร์ควอนตัม บางทีมไล่ตามแม่เหล็กอันทรงพลังที่ตรวจสอบสถานะการหมุนของโมเลกุลผ่าน Nuclear Magnetic Resonance ซึ่งเป็นเทคโนโลยีเดียวกับที่อยู่เบื้องหลังเครื่อง MRI คนอื่นใช้ไอออนที่ดักจับด้วยเลเซอร์ โฟตอนเดินทางผ่านการตั้งค่าออปติคัล หรือสถานะการหมุนของอิเล็กตรอน แต่ในปี 2550 ทีมนักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยเยลได้เปิดตัวโปรเซสเซอร์ควอนตัมโดยพิจารณาจากพฤติกรรมของอิเล็กตรอนที่เดินทางผ่านวงจรของลวดตัวนำยิ่งยวดซึ่งถูกขัดขวางโดยองค์ประกอบที่เรียกว่าชุมทางโจเซฟสัน
วงจรตัวเก็บประจุทางแยกของโจเซฟสันทำหน้าที่เหมือนออสซิลเลเตอร์ และการยึดวงจรตัวนำยิ่งยวดในอุณหภูมิที่เย็นจัดจะคำนวณหาปริมาณกระแสไฟฟ้า โดยจะใช้เฉพาะในโหมดที่ไม่ต่อเนื่องหรือการผสมผสานเชิงเส้นของโหมดที่ไม่ต่อเนื่อง พัลส์ของพลังงานไมโครเวฟเริ่มต้น qubits ให้อยู่ในสถานะต่ำสุด ย้ายไปยังสถานะตื่นเต้น สร้าง superpositions ของทั้งสองสถานะ หรือทำหน้าที่เป็นเกตที่พัวพันกับ qubits กับผู้อื่น ชุมทางโจเซฟสันแนะนำองค์ประกอบที่ไม่เป็นเชิงเส้น สร้างระยะห่างที่ไม่สม่ำเสมอสำหรับพลังงานที่จำเป็นในการเคลื่อนที่ระหว่างแต่ละโหมด และอนุญาตให้โปรแกรมเมอร์ใช้เฉพาะสองโหมดด้านล่างเท่านั้น
Transmon qubits ทำหน้าที่เป็นกระดูกสันหลังของระบบควอนตัมของ IBM ในปัจจุบัน ปัญหาที่สี่ให้ความเข้าใจที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นเกี่ยวกับวิธีการทำงาน ช่วยให้คุณทำการทดลองกับฮาร์ดแวร์ควอนตัมจริงโดยใช้ Qiskit Pulse

YoutubeSeo

คุณสามารถเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับ qubits ตัวนำยิ่งยวดในบทที่ 6ของหนังสือเรียน Qiskit และLecture 16 ถึง 21ใน QGSS 2020 สำหรับการเรียนรู้ Qiskit Pulse คุณสามารถรับชมวิดีโอแนะนำนี้โดย Lauren Capelluto ผู้พัฒนา Qiskit Pulse
2014: ตัวแปรควอนตัมไอเกนโซลเวอร์
ในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา คอมพิวเตอร์ควอนตัมเติบโตอย่างรวดเร็ว และเริ่มตระหนักถึงความฝันเริ่มต้นของ Feynman เกี่ยวกับระบบคอมพิวเตอร์ที่สามารถจำลองกฎของธรรมชาติด้วยวิธีควอนตัม กระดาษปี 2014 ที่เขียนขึ้นครั้งแรกโดยAlberto Peruzzo ได้แนะนำ Variational Quantum Eigensolver (VQE) ซึ่งเป็นอัลกอริทึมที่ออกแบบมาเพื่อค้นหาพลังงานสถานะพื้นของโมเลกุลที่มีวงจรตื้นกว่าวิธีอื่นๆ และในปี 2560 ทีม IBM Quantum ใช้อัลกอริทึม VQE เพื่อจำลองพลังงานสถานะพื้นดินของโมเลกุลลิเธียมไฮไดรด์
ความมหัศจรรย์ของ VQE มาจากการเอาท์ซอร์สภาระงานการประมวลผลของปัญหาไปยังคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิก อัลกอริธึมเริ่มต้นด้วยวงจรควอนตัมแบบกำหนดพารามิเตอร์ที่เรียกว่า ansatz (เหมือนกับการเดาที่ดีที่สุด) จากนั้นจะค้นหาพารามิเตอร์ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับวงจรโดยใช้เครื่องมือเพิ่มประสิทธิภาพแบบคลาสสิก ข้อดีของปัญหามาจากข้อเท็จจริงที่ว่าหน่วยประมวลผลควอนตัมสามารถแสดงและจัดเก็บฟังก์ชันคลื่นที่แน่นอนของปัญหาได้ ซึ่งเป็นปัญหาที่ยากแบบทวีคูณสำหรับคอมพิวเตอร์คลาสสิก ปัญหาที่ห้าของ IBM Quantum Challenge ช่วยให้คุณตระหนักถึงความฝันของ Feynman ด้วยตัวคุณเอง โดยตั้งค่าควอนตัมไอเกนโซลเวอร์ที่แปรผันเพื่อจำลองโมเลกุลขนาดใหญ่
คุณสามารถเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับ VQE สำหรับการจำลองโมเลกุลในบทที่ 4.1.2ของตำรา Qiskit และการบรรยายที่ 22 ถึง 27ใน QGSS 2020 เราเพิ่งเปิดตัวโมดูลแอปพลิเคชัน Qiskit Natureเพื่อให้นักวิจัยในสาขาต่างๆ ของวิทยาศาสตร์ธรรมชาติ (รวมถึงฟิสิกส์ เคมี) วัสดุศาสตร์และชีววิทยา) เพื่อสร้างแบบจำลองและแก้ปัญหาเฉพาะโดเมนโดยใช้การจำลองควอนตัม คุณสามารถค้นหาบทเรียนที่นี่
ในการศึกษาครั้งใหม่นี้ นักวิจัยจาก JHU และ IBM มองข้ามเซลล์เบต้าที่ผลิตอินซูลิน และเปิดเผยชุดเซลล์ภูมิคุ้มกันที่ก่อให้เกิด T1D ที่แปลกใหม่และยังไม่เคยค้นพบมาก่อน ซึ่งเรียกว่าเซลล์ dual expressor (DE) เซลล์เหล่านี้ได้รับการตั้งชื่อเช่นนั้นเนื่องจากแสดงทั้งโปรตีนภูมิคุ้มกัน ตัวรับ T-cell และตัวรับ B-cell ซึ่งไม่เคยมีการสังเกตพบในเซลล์เดียวกัน
ที่สำคัญ พบว่าส่วนหนึ่งของตัวรับเหล่านี้คือ ตัวรับบีเซลล์ ซึ่งเป็นตัวช่วยสำคัญทีเซลล์ช่วยกระตุ้น T-cell ของนักฆ่าให้ทำลายเซลล์เบต้าที่ผลิตอินซูลิน เรื่องนี้เป็นเรื่องที่น่าสนใจ เพราะมันบ่งบอกถึงการตอบสนองที่เป็นไปได้ใหม่ที่ยังไม่ได้ค้นพบจากระบบภูมิคุ้มกัน แทนที่จะโจมตีโดยตรงต่อเซลล์เบต้าที่ผลิตอินซูลินในตับอ่อน สิ่งนี้ชี้ให้เห็นถึงการตอบสนองของภูมิคุ้มกันต่อตับอ่อนที่กระตุ้นโดยปฏิกิริยาจากเซลล์ภูมิคุ้มกันอื่นๆ (เซลล์ DE)
ในขั้นต้น นักวิจัยที่ JHU ระบุจำนวนประชากรที่เพิ่มขึ้นของเซลล์ DE ในเลือดของบุคคลที่มี T1D แต่ไม่ทราบว่าทำให้เกิดการตอบสนองทางภูมิคุ้มกันของ T1D หรือไม่ ทีมนักวิจัยของเราในแผนกIBM Healthcare และ Life Scienceทำงานอย่างใกล้ชิดกับผู้ทำงานร่วมกันในการทดลองเพื่อตรวจสอบว่าเปปไทด์จำเพาะของเซลล์ DE (autoantigen) ทำให้เกิดการตอบสนองของภูมิคุ้มกัน T1D อย่างแท้จริง

Robot Auto process

นักวิจัยของ IBM ใช้การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ขนาดใหญ่เพื่อจำลองการเชื่อมโยงของ autoantigen peptides จากเซลล์ DE กับโปรตีนภูมิคุ้มกันจำเพาะที่เกี่ยวข้องกับ T1D, โปรตีน Human Leukocyte Antigen (HLA-DQ8) พบว่า autoantigen จากเซลล์ DE จับกับโมเลกุล HLA-DQ8 มีความแข็งแรงมากกว่าอินซูลินประมาณ 10,000 เท่า นอกจากนี้ นักวิจัยของ IBM ได้เปิดเผยพฤติกรรมการผูกมัดที่ผิดปกติ โดยมีรีจิสตรีที่มีผลผูกพันเกือบสมบูรณ์แบบสำหรับ autoantigen กับ HLA-DQ8 อธิบายว่าทำไม autoantigen จึงสร้างการตอบสนองทางภูมิคุ้มกันที่แข็งแกร่งแม้ว่าจะมีลำดับโปรตีนที่แตกต่างจากอินซูลิน