Продолжаем рубрику тем для первого свидания. На сегодняшней повестке дня — упрощение схем для квантовых программ методами ZX-исчисления.
Квантовое машинное обучение: знакомимся с Tensorflow Quantum
12 мин
Туториал
На Хабре практически нет информации про квантовое машинное обучение (Quantum Machine Learning), и в этой статье я постараюсь подробнее раскрыть тему. Сразу скажу, что промышленных квантовых компьютеров сегодня не существует, все основные разработки в этой области носят теоретический характер, а задачу, которую мы будем разбирать в статье можно решить «по классике» за доли секунд. Но ведь еще 30 лет назад была так называемая «зима искусственного интеллекта», а сегодня нейронные сети буквально окружают нас. Кто знает, может быть вскоре и квантовые компьютеры станут неотъемлемой частью нашей жизни? К тому же область квантовых вычислений, а тем более область QML, обладает особой притягательностью и таинственностью и, как минимум, стоит быть замеченной.
В статье я постарался рассказать о QML в целом, а также об основном строительном блоке QML — Variational Quantum Circuit. Большую часть статьи я постарался сделать практической, c примерами кода на Cirq, а в конце — добавил реализацию одного из базовых алгоритмов QML на Tensorflow Quantum.
Процедурная генерация с помощью квантовых вычислений
7 мин
Перевод
Сегодня разберем выступление Джеймса Вуттона из IBM Quantum на конференции FDG 2020. Речь пойдет о квантовых вычислениях — потенциально многообещающей технологии, для которой, однако, на современном этапе развития находится мало применения. И все же одно из них нашлось в процедурной генерации.
Поговорим подробнее, как реализовать ее на кубитах, а также приведем коды программы.
Что нового в сфере квантовых коммуникаций — система распределения ключа для десяти участников сети
2 мин
Группа физиков представила систему квантового распределения ключа для десяти участников — долгое время их количество не превышало двух. Расскажем, что известно о разработке и аналогах.
Программирование квантовых компьютеров: джентльменский набор издательства «Питер»
7 мин
Мы очень стараемся отслеживать тренды ещё на этапе их формирования и готовить для русскоязычных читателей наиболее актуальные книги. Сегодня я покажу, как это происходит. Для примера возьму довольно необычную тему – программирование квантовых компьютеров.
Эта история началась 4 года назад и теперь, в конце 2020, у нас уже сформирован небольшой, но весьма доступный и актуальный портфель.
Человек, подчинивший себе половину частиц во Вселенной
8 мин
Перевод
Мы живем буквально в преддверии эпохи квантовых компьютеров. Первые экспериментальные машины уже прямо сейчас доступны для тестирования благодаря облачным технологиям — и об этом мы отдельно поговорим в конце статьи.
Но имя одного из крупнейших физиков XX века, плоды работы которого мы пожинаем сейчас, спустя 100 лет, часто остается за кадром. Шатьендранат Бозе мало кому известен за пределами родной страны. Западные СМИ вспоминают его исключительно в паре с Эйнштейном, ограничиваясь только фамилией.
Перед вами биография ученого из Индии, патриота и мыслителя. Он сделал для своей страны не меньше, чем его современница Ся Пейсу — для Китая.
Страну создают не только её культура и традиции. Крупнейшие государства покоятся на плечах ученых, которые, подобно атлантам, закладывают фундамент для будущего процветания своих сограждан.
Квантовый хакинг, вычисления, алгоритмы и машинное обучение на практике — дайджест Университета ИТМО
3 мин
Это подборка текстовых материалов и тематических подкастов с участием представителей Университета ИТМО — студентов, аспирантов, научных сотрудников и преподавателей. Мы обсуждаем научные статьи, делимся личным опытом разработки проектов различного уровня и говорим о возможностях для развития, которыми располагает «первый неклассический».
Физики из Германии нашли способ объединить квантовую криптографию с полупроводниковыми технологиями
2 мин
Немецкие ученые создали новый способ генерировать инфракрасные одиночные фотоны на основе кремния. Источник создает до 100 тыс. фотонов в секунду. Подход может объединить квантовую криптографию с популярными полупроводниковыми технологиями.
Квантовое распределение ключей используют для обеспечения безопасности данных. Суть способа в выработке общего секретного ключа шифрования для двух удаленных пользователей, используя только открытый канал связи. В основе метода — законы квантовой механики. Третью сторону, которая пытается расшифровать ключ, всегда можно обнаружить. Собственно процесс измерения квантового состояния приводит к аномалиям — квантовому индетерменизму. При этом ключ успешно создается только в том случае, когда аномалии не превышают заданного порога.
Квантовый нанотермометр: измерение температуры нематоды длиной 1 мм
9 мин
Одним из основных показателей состояния биологической системы является температура. Если у человека развивается какая-то инфекция, то температура его тела повышается (как правило, но не всегда), что является признаком ответной реакции иммунной системы на угрозу. Другими словами, по температуре можно определить примерное состояние организма. Проблема в том, что человек большой (буквально), а вот, например, нематоды в длину всего лишь около 1 мм. Измерить температуру столь малого организма было крайне сложно, однако ученые из университета Осаки (Япония) разработали методику, позволяющую решить эту проблему. Какие средства были использованы для реализации нанотермометра, что показали практические опыты, и где можно использовать данную разработку? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.
Простое и строгое доказательство 26/10 измерений в теории струн
12 мин
Перевод
… вы нигде не найдете.
По крайней мере, у меня не получилось сделать его таковым. Требование определенного и большого числа пространственно-временных измерений (26 для более простой бозонной теории струн и 10 для более сложных суперструн) это один из наиболее неправильно понимаемых аспектов, который, собственно, является основным источником негативных чувств к данной теории. Придется очень постараться, чтобы объяснить происхождение этих странных чисел неспециалистам.
Многомировая интерпретация в картинках или «Опять этот кот?»
5 мин
Recovery Mode
В статье я использовал:
отрывки из видео: www.youtube.com/watch?v=kTXTPe3wahc
часть с уравнением из статьи Многомировая интерпретация квантовой механики
Книгу «Гиперпространство: Научная одиссея через параллельные миры, дыры во времени и десятое измерение» – Митио Каку
Книгу «Начало бесконечности» – Дэвид Дойч
Из-за того, что квантовую физику нельзя полностью наблюдать и проводить эксперименты по всем возникающим вопросам, ученые делятся на несколько лагерей относительно мироустройства вселенной. Многомировая интерпретация является одной ведущих многомировых гипотез в физике и философии, наряду с копенгагенской интерпретацией и интерпретацией согласованных хронологий.
В классической физике все просто: есть пространство и время, есть материя, находящаяся в этом пространстве, есть параметры системы (как импульс или положение), и есть законы физики, которые описывают изменение этих параметров. Если точно знать начальное состояние системы, можно предсказать ее поведение в будущем с абсолютной точностью.
В квантовой физике все не так. Тут систему описывает волновая функция. Она определяет вероятность измерить систему в определенном состоянии (например, определенную координату или импульс). До измерения нельзя сказать, что система обладает определенным моментом, она обладает только волновой функцией.
Но проблема в том, что квантовая механика не позволяет увидеть волновую функцию частицы.
отрывки из видео: www.youtube.com/watch?v=kTXTPe3wahc
часть с уравнением из статьи Многомировая интерпретация квантовой механики
Книгу «Гиперпространство: Научная одиссея через параллельные миры, дыры во времени и десятое измерение» – Митио Каку
Книгу «Начало бесконечности» – Дэвид Дойч
Из-за того, что квантовую физику нельзя полностью наблюдать и проводить эксперименты по всем возникающим вопросам, ученые делятся на несколько лагерей относительно мироустройства вселенной. Многомировая интерпретация является одной ведущих многомировых гипотез в физике и философии, наряду с копенгагенской интерпретацией и интерпретацией согласованных хронологий.
В классической физике все просто: есть пространство и время, есть материя, находящаяся в этом пространстве, есть параметры системы (как импульс или положение), и есть законы физики, которые описывают изменение этих параметров. Если точно знать начальное состояние системы, можно предсказать ее поведение в будущем с абсолютной точностью.
В квантовой физике все не так. Тут систему описывает волновая функция. Она определяет вероятность измерить систему в определенном состоянии (например, определенную координату или импульс). До измерения нельзя сказать, что система обладает определенным моментом, она обладает только волновой функцией.
Но проблема в том, что квантовая механика не позволяет увидеть волновую функцию частицы.
Книга «Программирование квантовых компьютеров. Базовые алгоритмы и примеры кода»
14 мин
Привет, Хаброжители! Квантовые компьютеры спровоцировали новую компьютерную революцию, и у вас есть прекрасный шанс присоединиться к технологическому прорыву прямо сейчас. Разработчики, специалисты по компьютерной графике и начинающие айтишники найдут в этой книге практическую информацию по квантовым вычислениям, нужную программистам. Вместо штудирования теории и формул вы сразу займетесь конкретными задачами, демонстрирующими уникальные возможности квантовой технологии. Эрик Джонстон, Ник Хэрриган и Мерседес Химено-Сеговиа помогают развить необходимые навыки и интуицию, а также освоить инструментарий, необходимый для создания квантовых приложений. Вы поймете, на что способны квантовые компьютеры и как это применить в реальной жизни. Книга состоит из трех частей: — Программирование QPU: основные концепции программирования квантовых процессоров, выполнение операций с кубитами и квантовая телепортация. — Примитивы QPU: алгоритмические примитивы и методы, усиление амплитуды, квантовое преобразование Фурье и оценка фазы. — Практика QPU: решение конкретных задач с помощью примитивов QPU, методы квантового поиска и алгоритм разложения Шора.
Дуализм частица-волна: наглядно
4 мин
«Если вам кажется, что вы понимаете квантовую теорию… то вы не понимаете квантовую теорию.» — Фейнман Р., лекции «Характер физических законов» (1964), гл. 6.
Это и подобные высказывания о непостижимости законов квантовой механики всегда раздражали меня. Корпускулярно-волновой дуализм, свойства квантовых частиц вести себя как волны и как частицы — неужели нельзя их понять наглядно, увидеть не как поведение математических решений, а воочию? В этом обзоре я представлю результаты, оспаривающие этот мистицизм.
Ближайшие события
«Шутки ради»: пара занимательных RFC
2 мин
Формат RFC существует с 1969 года — его представили во время обсуждения ARPANET. Тогда инженер Стив Крокер написал RFC 1 о работе программного обеспечения хоста.
С тех пор прошло более 50 лет, но Request for Comments все еще в ходу — опубликовано ~9 тыс. документов по сетевым протоколам, моделям хранения данных и алгоритмам шифрования.
В этом многообразии встречаются RFC, у которых нет практического применения. Их написали по большей части ради шутки. Сегодня расскажем о некоторых находках из этой области.
С тех пор прошло более 50 лет, но Request for Comments все еще в ходу — опубликовано ~9 тыс. документов по сетевым протоколам, моделям хранения данных и алгоритмам шифрования.
В этом многообразии встречаются RFC, у которых нет практического применения. Их написали по большей части ради шутки. Сегодня расскажем о некоторых находках из этой области.
Забытый криотронный компьютер Дадли Бака
12 мин
Перевод
В 1950-х годах аспирант Массачусетского технологического института убеждал инженеров создавать компьютеры с использованием сверхпроводящих магнитных переключателей вместо ламп или транзисторов.
Изобретение Бака пережило творца. Более того, оно живо и по сей день: криотрон лежит в основе проектов IBM по созданию сверхпроводящих кубитов.
Тем не менее, десятилетия работы над криотроном затерялись на страницах истории компьютеростроения. Многие современные инженеры даже не слышали об этой технологии. Давайте поговорим о работе Бака и его ныне забытом криотронном компьютере.
Изобретение Бака пережило творца. Более того, оно живо и по сей день: криотрон лежит в основе проектов IBM по созданию сверхпроводящих кубитов.
Тем не менее, десятилетия работы над криотроном затерялись на страницах истории компьютеростроения. Многие современные инженеры даже не слышали об этой технологии. Давайте поговорим о работе Бака и его ныне забытом криотронном компьютере.
Как мы используем квантовый свет для измерения осцилляторов при -250°С
7 мин
Мы измерили вибрации маленького маятника на уровне одного нанометра. А потом засунули его в холодильник и охладили его до -250°C. А потом использовали квантовые корреляции, чтобы уменьшить шумы в системе и получше наблюдать сигнал.
Квантовые технологии помогают нам в самых разных областях. Например, когда нам нужно измерить очень слабый сигнал, а квантовые шумы в системе очень мешают. Это традиционная проблема, например, в гравитационно-волновых детекторах, в которых квантовые флуктуации в амплитуде и фазе лазера, используемого для измерения положения зеркал, мешают наблюдению гравитационных волн. Я об этом рассказывал в своей статье про детектор Einstein Telescope, который появится в Европе в недалеком будущем.
У нас в эксперименте получился маленький прототип этого детектора. Наша статья об этом эксперименте была опубликована в Physical Review Letters,
а препринт тут: Squeezed-light interferometry on a cryogenically-cooled micro-mechanical membrane.
Квантовые технологии помогают нам в самых разных областях. Например, когда нам нужно измерить очень слабый сигнал, а квантовые шумы в системе очень мешают. Это традиционная проблема, например, в гравитационно-волновых детекторах, в которых квантовые флуктуации в амплитуде и фазе лазера, используемого для измерения положения зеркал, мешают наблюдению гравитационных волн. Я об этом рассказывал в своей статье про детектор Einstein Telescope, который появится в Европе в недалеком будущем.
У нас в эксперименте получился маленький прототип этого детектора. Наша статья об этом эксперименте была опубликована в Physical Review Letters,
а препринт тут: Squeezed-light interferometry on a cryogenically-cooled micro-mechanical membrane.
Квантовые вычисления в биоинформатике
38 мин
Квантовые компьютеры по определению могут решать множество задач экспоненциально быстрее, чем классические компьютеры. Нужно признать, что мы еще не достигли появления полезных квантовых вычислений, но когда мы сможем решить эту проблему, то извлеченная польза затронет почти все научные дисциплины. В этом обзоре мы рассмотрим, как современные квантовые алгоритмы могут сделать революцию в вычислительной биологии и биоинформатике.
От способности обрабатывать огромные объемы информации и намного эффективнее использовать алгоритмы машинного обучения, до алгоритмов квантового моделирования, которые могут улучшить вычисления (как по качественным, так и по количественным показателям) для дизайна новых лекарств, предсказания структуры белка, анализа различных процессов в биологическом организме и т.д. Эти захватывающие ум перспективы подвержены сегодня излишнему инфо хайпу, а значит важно обозначить предостережения и проблемы в этой новой технологии.
Предупреждение: в основе обзора статья группы европейских исследователей из Великобритании и Швейцарии (Carlos Outeiral, Martin Strahm, Jiye Shi, Garrett M. Morris, Simon C. Benjamin, Charlotte M. Deane. «The prospects of quantum computing in computational molecular biology», WIREs Computational Molecular Science published by Wiley Periodicals LLC, 2020). Самые сложные части статьи, связанные с изощренными математическими моделями не попадут в обзор. Но материал изначально сложный, от читателя требуются знания математики и квантовой физики.
Но если вы намерены начать изучать применение квантовых технологий в биоинформатике, то для того чтобы сначала въехать в тему, предлагается послушать небольшой доклад Виктора Соколова – старшего научного сотрудника M&S Decisions, в котором обозначаются некоторые современные проблемы моделирования лекарств:
От способности обрабатывать огромные объемы информации и намного эффективнее использовать алгоритмы машинного обучения, до алгоритмов квантового моделирования, которые могут улучшить вычисления (как по качественным, так и по количественным показателям) для дизайна новых лекарств, предсказания структуры белка, анализа различных процессов в биологическом организме и т.д. Эти захватывающие ум перспективы подвержены сегодня излишнему инфо хайпу, а значит важно обозначить предостережения и проблемы в этой новой технологии.
Предупреждение: в основе обзора статья группы европейских исследователей из Великобритании и Швейцарии (Carlos Outeiral, Martin Strahm, Jiye Shi, Garrett M. Morris, Simon C. Benjamin, Charlotte M. Deane. «The prospects of quantum computing in computational molecular biology», WIREs Computational Molecular Science published by Wiley Periodicals LLC, 2020). Самые сложные части статьи, связанные с изощренными математическими моделями не попадут в обзор. Но материал изначально сложный, от читателя требуются знания математики и квантовой физики.
Но если вы намерены начать изучать применение квантовых технологий в биоинформатике, то для того чтобы сначала въехать в тему, предлагается послушать небольшой доклад Виктора Соколова – старшего научного сотрудника M&S Decisions, в котором обозначаются некоторые современные проблемы моделирования лекарств:
Тестирование пределов зрения человека квантовыми состояниями света: прошлые, настоящие и будущие эксперименты
18 мин
Перевод
Статья посвящена обзору достижений и планируемым исследованиям квантовых возможностей зрительной системы человек в продолжении темы затронутой в этой публикации. Исследования носят существенно междисциплинарный характер на стыке квантовой физики и когнитивной науки. Переведена с несущественными сокращениями, и снабжена автором перевода дополнительными материалами и комментариями по теме, имеющими самостоятельное значение.
КДПВ с просторов сети.
Специалисты по квантовой оптике уже давно интересуются зрительной системой человека, которая, вероятно, чувствительна к одиночным фотонам. Ранние эксперименты были ограничены некогерентностью излучения классических источников света, но эпоха настоящих однофотонных источников и настраиваемой статистики фотонов открыла новые области исследований, включая измерение квантовой эффективности палочек — сумеричных фоторецепторов глаз (около 33%) [1], и измерение статистики фотонов от различных источников света, в которых палочки используются в качестве сенсоров [2]. Недавний эксперимент предоставил лучшее доказательство того, что зрительная система может обнаружить один фотон [3], а в другом исследовали временную суммацию в зрительной системе для нескольких фотонов [4]. Эти достижения в исследовании однофотонного зрения предоставляют уникальную возможность изучения квантовых эффектов с помощью зрительной системы, включая суперпозицию и запутывание. В этой статье делается краткий обзор предыдущих исследований однофотонного зрения и текущих возможностей, а также предлагаются два эксперимента, для изучения восприятия состояния суперпозиции, и использования человека-наблюдателя в качестве детектора в тесте Белла.
КДПВ с просторов сети.1. Введение
Специалисты по квантовой оптике уже давно интересуются зрительной системой человека, которая, вероятно, чувствительна к одиночным фотонам. Ранние эксперименты были ограничены некогерентностью излучения классических источников света, но эпоха настоящих однофотонных источников и настраиваемой статистики фотонов открыла новые области исследований, включая измерение квантовой эффективности палочек — сумеричных фоторецепторов глаз (около 33%) [1], и измерение статистики фотонов от различных источников света, в которых палочки используются в качестве сенсоров [2]. Недавний эксперимент предоставил лучшее доказательство того, что зрительная система может обнаружить один фотон [3], а в другом исследовали временную суммацию в зрительной системе для нескольких фотонов [4]. Эти достижения в исследовании однофотонного зрения предоставляют уникальную возможность изучения квантовых эффектов с помощью зрительной системы, включая суперпозицию и запутывание. В этой статье делается краткий обзор предыдущих исследований однофотонного зрения и текущих возможностей, а также предлагаются два эксперимента, для изучения восприятия состояния суперпозиции, и использования человека-наблюдателя в качестве детектора в тесте Белла.
Подкаст: квантовый хакинг и распределение ключа
11 мин
В третьем выпуске принял участие Антон Козубов, руководитель теоретической группы лаборатории квантовых процессов и измерений. Мы обсудили его работу и специфику отрасли.
Аудиоверсия: Apple Podcasts · Яндекс.Музыка · PodFM · Google Podcasts · YouTube.
Создайте свой собственный симулятор Q# — Часть 1
4 мин
Перевод
Симуляторы — это особенно универсальная особенность QDK. Они позволяют вам выполнять различные задачи в программе на Q#, не меняя ее. Такие задачи включают симуляцию полного состояния, оценку ресурса или симуляцию трассировки. Новый интерфейс
Этот пост является первым в серии, посвященной этому интерфейсу. Мы начнем с реализации обратимого симулятора в качестве первого примера, который мы расширим в будущих публикациях в блоге. Обратимый симулятор может моделировать квантовые программы, которые состоят только из классических операций:
IQuantumProcessor позволяет очень легко создавать собственные симуляторы и интегрировать их в свои проекты на Q#. Этот пост является первым в серии, посвященной этому интерфейсу. Мы начнем с реализации обратимого симулятора в качестве первого примера, который мы расширим в будущих публикациях в блоге. Обратимый симулятор может моделировать квантовые программы, которые состоят только из классических операций:
X, CNOT, CCNOT (Toffoli gate) или произвольно управляемых X-операций. Поскольку обратимый симулятор может представлять квантовое состояние, присваивая одно булево значение каждому кубиту, он может запускать даже квантовые программы, состоящие из тысяч кубитов. Этот симулятор очень полезен для тестирования квантовых операций, которые оценивают булевы функции.