453 okumalar

Kuantum Bilişimin Daha Fazla Yazılım Mühendisine İhtiyacı Var

ile David Ryan11m2024/05/26

Çok uzun; Okumak

Üst düzey programlama dillerinden donanım sistemlerine kadar Quantum Computing'deki yazılım yığınını keşfedin (ve... kuantum kariyerinize başlayın).

featured image - Kuantum Bilişimin Daha Fazla Yazılım Mühendisine İhtiyacı Var

Bu makale, kuantum hesaplamada daha fazla Yazılım Mühendisine duyulan ihtiyaçtan ilham almıştır. Gerçek müşterilere gerçek bir ürün göndermeyi mümkün kılan diğer Geliştiricilerden, UX Tasarımcılarından, QA Test Uzmanlarından, Ürün Yöneticilerinden ve diğer tüm yeteneklerden bahsetmeye bile gerek yok. Özellikle Deep Tech ve Frontier Tech'teki kuantum hesaplama gibi ürünler.

Bu ürünler ve onları yaratmaya çalışan ekipler "Bilimden Teknolojiye, Mühendislikten Ürüne" uzun ve zorlu bir yolculuğa tabidir. Teknoloji hazırlığı yoluyla doğrusal bir ilerlemeden ziyade, organizasyonel (ve topluluk) evrimle ilgili bir dizi aşama değişimi.

Bu evrim öylece gerçekleşmiyor. Bu ekiplerde çalışanlarımız için, organizasyon akademikten tekniğe, oradan da piyasayla daha geniş bir şekilde ilgilenen bir şeye doğru geçiş yaparken, organizasyonu yeniden keşfetme zorluğuyla karşı karşıyayız. Bu, büyüyen bir yetenek topluluğuyla kaynak bulma ve işbirliği yapmanın yanı sıra kendi becerilerimizi sürekli geliştirip büyütmek anlamına gelir.

Bu, 2022'de Linux Vakfı'nın Açık Kaynak Zirvesi'nde " Kuantum Bilgisayar Kariyerine Giden Yolda Açık Kaynak " konuşmamda değindiğim bir konuydu. Ve o zamandan beri, "kuantum fayda"ya ( teorik üstünlükten ziyade gerçek dünyadaki kullanışlılığa odaklanmak için kullandığımız bir terim) doğru gözle görülür bir endüstri değişimi ve bazı büyük projelerin başlamasıyla birlikte, yaklaşık bir yıl içinde daha da büyüdü. Avustralya hükümetinin, memleketim Brisbane'de ticari bir kuantum bilgisayarı kurmak için PsiQuantum'a yaptığı yaklaşık 1 milyar dolarlık yatırım gibi (buradan, Seattle'dan biraz hasretle söyleniyor).

Yani evet, çok şey oluyor. Bu da, bu kuantum sistemlerinin aslında neyden oluştuğunu ve yeteneğinizin ve merakınızın nereye uyduğunu anlamak için çok iyi bir zaman olduğunu gösteriyor. Sonuna nasıl katılacağınıza dair bazı öneriler ekledim. Ve aslında tek bir "kuantum bilgisayar" paradigması olmadığına dair kısa bir sorumluluk reddi beyanı eklemeliyim. Eğitimsel değer için üzerinde çalıştığımız çeşitli sistemlerin en yaygın unsurlarını özetledim, ancak bu model zaman içinde geliştikçe her türlü zorluğu veya çürütmeyi memnuniyetle karşılarım.

Bir bakışta kuantum yığını

Kuantum bilgi işlem yığını birçok yönden modern yüksek performanslı bilgi işlem (HPC) yığınının modeliyle eşleşir. Ve daha az bir ölçüde, bulut bilişim alanında çalışan herkes yeterince aşina olacaktır. Üst düzey bir kullanıcı deneyiminden, iş yükümüzü alan ve onu daha sonra donanım üzerinde çalışacak bir şeye dönüştüren bir tür platforma geçiyoruz. Kafamızı dağıtacak kadar basit.

Nüans çok daha karmaşıktır. Bir kuantum bilgisayarının gerçekte yalnızca kullanılan kuantum algoritması kadar iyi olduğunu anlamak gibi. Süperpozisyon ve dolaşıklık hakkında duyduğunuz tüm süslü şeyler, donanım düzeyinde, doğru olasılığı ortaya çıkaran "hesaplamayı" gerçekleştirmek için faz ve girişim kullanan bazı yararlı algoritmaları güvenilir bir şekilde çalıştırmanın bir yoluna iniyor. cevap. Bunu çok sık yapmak, doğru cevaba ulaşma olasılığını artırır. Bunu yapmak, kullanışlı bir algoritma ve güvenilir bir sistem uygulaması gerektirir.

Simülasyon da önemli bir rol oynuyor. Bunun "pahalı donanım satın alımlarından tasarruf etme" ile ilgili olduğunu düşünebilirsiniz, ancak gerçekte durum böyle değildir (ve genellikle birisinin kuantum tıklama tuzaklarını yazmak için yapay zekayı kullandığının bir ipucudur). Simülasyona yalnızca yeni ve ilgi çekici algoritmalar geliştirmeye yardımcı olması için değil, aynı zamanda iş yükü oluşturmanın çeşitli yollarını keşfetmesi için de güveniyoruz. Bu aynı zamanda çoğumuzun üzerinde çalıştığı iş akışlarının da temel bir parçasıdır; burada gerçek anlamda hibrit bir sistem, iş yükünü ve planlamayı yönetmek için klasik bilgi işlem kaynaklarını kullanır, ayrıca GPU'lar (veya TPU'lar ve LPU'lar gibi daha yeni çipler) aracılığıyla hızlandırma yapar ve etkin bir şekilde iter. Bir kuantum algoritmasının eldeki görev için faydalı olabileceği kuantum işlem birimine (QPU) belirli iş yükleri. Bazıları, benim gibi, kuantum hesaplamayı mevcut altyapıyla bütünleştirmeye odaklanırken, diğerleri kendilerini en güçlü bağımsız kuantum sistemini oluşturmaya adamıştır. Bu nedenle endüstrideki geniş araştırma yelpazesi.

Bundan çıkardığınız tek şey, bir kuantum bilgisayarının, özel kuantum algoritmalarını çalıştırmak için mevcut hesaplama yığınına ek olarak bir QPU içeren özel bir sistem olduğuysa, o zaman bu bir kazançtır. Kedilere, yarıklara veya ürkütücü el sallamaya gerek yok.

Ayrıntılı olarak kuantum yığını

Aşağıdaki bölümler, üst kullanıcı katmanından platform boyunca aşağıya ve en sonunda donanım katmanına doğru ilerler. Uygulamada bu katmanlar arasındaki sınırlar bulanık olabilse de, netlik (ve akıl sağlığı) için tipik bir iş yüküne veya iş akışına dayalı bir model izleyeceğiz.

1. Kuantum programlama dilleri ve geliştirici araçları

Kuantum sisteminin en üst seviyesinde klavyeye yumruk atan insan var. Kuantum programlama dilleri, kuantum algoritmalarını keşfetmek ve yönetilebilir bir biçimde programlar oluşturmak için gereken yüksek düzeyde soyutlamayı sağlar. Bu dillerle çalışma deneyimi, kuantum yazılımı geliştirmek için gerekli kitaplıkları ve araçları sunan Yazılım Geliştirme Kitleri (SDK'ler) ile genişletilir.

SDK'lar ve çerçeveler ile Entegre Geliştirme Ortamları (IDE'ler) arasındaki ayrımda bir miktar bulanıklık var. Bu, kuantum satıcılarının farklı yaklaşımları ve belirli son kullanıcılara göre uyarlanmış platformların ve ürün dikeylerinin entegrasyonu ile şekillenmektedir. Tam yerel erişim ve nabız seviyesi kontrolü isteyen bir araştırmacı, hibrit iş yükleri geliştiren kurumsal bir ekipten farklı olacaktır; bu, bulut tabanlı bir kuantum platformunun üzerine inşa edilen bir fintech startup'ından farklı olacaktır. Bu model kurumsal veya bulut tabanlı projelerde tanıdıktır ancak kuantum sistemlerinin ticari değeri daha belirgin hale geldikçe ve ürün tasarımını etkiledikçe nüanslarla birlikte gelişecektir. Bu arada en yaygın SDK'lar ve bunlarla ilişkili programlama dilleri aşağıdaki gibidir.

IBM Quantum ve (Python tabanlı) Qiskit
Microsoft Kuantum Geliştirme Seti (QDK) ve Q#
Google Cirq ve Python
Amazon Braket ve Python
Python için Intel Quantum SDK ve C/C++
Rigetti Ormanı ve (Python tabanlı) PyQuil

2. Kuantum algoritmaları ve uygulamaları

Yığında aşağı doğru ilerledikçe, arzu edilen herhangi bir kuantum iş yükünün kalbinde yer alan algoritmalara geliyoruz. Kuantum bilgisayarları oluşturmaya yönelik çeşitli rakip yaklaşımlar geliştikçe, gerçek dünyadaki uygulamalara yönelik fırsatlar da gelişiyor. Belirli işlevsel kullanım alanlarına yönelik bir dizi yazılım kitaplığı ve paketi oluşturuluyor (kuantum makine öğrenimi için IBM'in Qiskit Machine Learning'i veya kuantum kimyası için Google'ın OpenFermion'u gibi) ve bilinen kuantum algoritmalarının mevcut kitaplıkları araştırmacılar tarafından genişletiliyor ve optimize ediliyor. ve ticari satıcılar ( Stephen Jordan'ın Kuantum Algoritma Hayvanat Bahçesi ve Classiq'in kütüphanesi gibi).

Bazı kuantum algoritmaları ünlüye yakın statüye ulaştı. Diğerleri klasik algoritmaların kuantum uyarlamalarıdır veya daha büyük iş yükleri için yapı taşları olarak hizmet ederler. Gerçek dünyada işlevsel olarak işe yaramaz olan bazı kuantum algoritmaları bile vardır (cesaretiniz varsa buraya fizikçiler hakkında bir şaka ekleyin), ancak bunlar kuantum avantajının önemli örnekleridir. Daha derin bir inceleme için kuantum algoritmaları hakkındaki makaleme bakın, ancak burada bazı dikkate değer örnekler verilmiştir.

Shor Algoritması, büyük sayıları bilinen herhangi bir klasik algoritmadan katlanarak daha hızlı çarpanlara ayırmanın bir yolu olarak önerilen "şifreleme kırma" algoritmasıdır.
Grover'ın Arama Algoritması, yapılandırılmamış veri aramalarının algoritmik olarak hızlandırılması için yararlı bir başlangıç noktasıdır.
Deutsch-Jozsa Algoritması teknik olarak kendi başına yararlı değildir ancak klasik yöntemlere göre kuantum avantajı gösteren ilk örneklerden biridir.
Kuantum Fourier Dönüşümü (QFT), birçok güçlü algoritmanın kalbinde yer alan Hızlı Fourier Dönüşümünün kuantum versiyonudur.
Varyasyonel Kuantum Eigensolver (VQE), kuantum kimyası, malzeme simülasyonu ve optimizasyon problemlerinde yakın vadeli uygulamalar için araştırılan hibrit bir algoritmadır.

3. Kuantum simülatörleri ve emülatörleri

Kuantum simülatörleri, kuantum sistemlerinin davranışını klasik bilgisayarlar üzerinde kopyalamak için kullanılan yazılım araçlarıdır. Algoritma geliştirme ve potansiyel iş yüklerini optimize etme iş akışımızın önemli bir parçasını oluştururlar (özellikle aynı kapı setine veya belirli donanımın diğer öğelerine sahip simülatörlerde). Simülatörlerin rolü, endüstrinin kendisi saf akademik araştırmadan potansiyel ticari kullanıma doğru geliştikçe gelişti. Belirli kuantum donanımı için simülasyonun doğruluğu, sistemin benzersiz gürültüsünü ve hatalarını modelleme noktasına kadar gelişti. Satıcılar ( Qiskit 1.0'a bakınca ) sektör olgunlaştıkça ürün yelpazelerini yineledikçe veya modernize ettikçe aşağıdaki örneklerin değişebileceğini veya kullanımdan kaldırılabileceğini unutmayın.

4. Kuantum bulut platformları

Daha aşağılara inmeden önce kuantum bulut platformları konusuna küçük bir not düşmemiz gerekiyor. Mevcut çağda, birkaç donanım sistemini çalıştıran bir avuç büyük satıcı var. Her biri, donanım birimlerini doğrudan satmaya mı, kendi kampüslerinde barındırmaya mı, internet üzerinden erişim mi satmaya yoksa yukarıdakilerin bir kombinasyonunu mu yapmaya çalışılacağı konusunda aynı soruyla karşı karşıyadır. Daha sonra karışıma özel ara bağlantıları, genel bulut sağlayıcılarını, bağımsız yetenekleri ve araştırma laboratuvarlarını ekleyin. Bulut platformu modelinin kuantum bilişim için belirleyici ekonomik model olacağı kesin değil; ancak önceki bulut bilişim kalıpları göz önüne alındığında sektör dışından en büyük fikir payını işgal ediyor.

Tüm bunları söyledikten sonra, sistemlerini bulut platformu erişimi için sağlamamayı tercih eden şirketlere de dikkat edin. Quantum Brilliance'da odak noktam, küçük form faktörüne ve oda sıcaklığında QPU'lara (ilk olarak ) olanak tanıyan elmas NV merkezi yaklaşımını kullanan yüksek düzeyde paralelleştirilmiş uç bilgi işlem kümeleriydi. Diğer kuantum startuplarıyla konuştuğumuzda, her türlü sabit veya mobil konuşlandırmanın kullanım senaryolarının geçerli olduğu görülüyor ve web dışında pek çok ilginç (ve çoğu zaman açıklanmayan) çalışma yapılıyor. Çevrimiçi olarak erişilebilenler arasında izlenecek bazılarını burada bulabilirsiniz.

5. Kuantum derleyicileri ve devre optimizasyonu

Kuantum derleyicisinin rolü, yüksek seviyeli kuantum programlarını, kuantum donanımında yürütülecek düşük seviyeli talimatlara çevirmektir. Ayrıntılar bu makalenin kapsamı dışında olsa da süreç, geçit ayrıştırmayı (soyut kapıları fiziksel kübitlerle eşleştirmek için), haritalamayı ve planlamayı (algoritmanın mantıksal kübitlerini fiziksel kübitlerle eşleştirmek için) ve satıcıya ve satıcıya özel ayrıntıları içerir. kendi özel sistemleri (doğruluk, hata oranları ve bağlantı gibi).

Bu örnek yığınını basitleştirmek için, temel işlevi değiştirmeden kuantum kapılarının, derinliğin veya diğer kaynak elemanlarının sayısını en aza indirecek teknikleri uygulayan çeşitli kuantum devre optimizasyonu biçimlerini bu seviyeye taşıyacağız. Bu, derleme işleminden önce, derleme işleminin bir parçası olarak veya daha sonra donanım işlemine yönelik ince ayarın bir parçası olarak meydana gelebilir. Açıklık sağlamak için, bunu burada iş akışımız içinde gruplayalım. İşte bilmeniz gereken bazı örnekler.

6. Kuantum hatası düzeltme yazılımı

İçinde bulunduğumuz "gürültülü" kuantum sistemleri çağında kuantum hatası düzeltmenin rolü özellikle önemlidir. Öyle ki yığının bu katmanında uzmanlaşmış şirketler var. Bu şirketlere olan ihtiyaç ve daha geniş hata düzeltme çabası, kuantum sistemlerinin kırılgan doğasından kaynaklanmaktadır. Süper iletken kuantum bilgisayarlar popüler hayal gücüne hakim olsa da, tüm yöntemlerde (tuzaklanmış iyon, fotonik, NV merkezi vb.) hata düzeltme hayati öneme sahiptir.

Kübit oluşturma yönteminden bağımsız olarak hazırlık, iş yükünün yürütülmesi ve ölçümünde zorluklar ortaya çıkar. Eşevresizlik, geçit hataları, ölçüm hataları ve bireysel kübit kalitesiyle birlikte tüm yöntemleri etkiler. Kuantum hata düzeltmesi anlaşılabilir bir şekilde karmaşıktır ancak sistem yedekliliği (kuantum bilgisini birden fazla kübite yayma), sendrom yönetimi (kodlanmış bilgiyi bozmadan hataları tespit etmek için yardımcı kübitlerin kullanılması) ve bireysel veya kümelenmiş kübitlerin performansının profilinin çıkarılması gibi teknikleri içerebilir. mesai. Gerçek anlamda hataya dayanıklı kuantum hesaplama çağına ulaşılabilirse bunlar hala önemli olacak olsa da, kendimizi içinde bulduğumuz Gürültülü Orta Ölçekli Kuantum (NISQ) çağında heyecan verici bir araştırma konusudur. Başlıca satıcılar ve örnekler arasında aşağıdakiler yer almaktadır: .

7. Kuantum kontrol sistemleri

Kuantum kontrol sistemi, kuantum donanımının operasyonlarının yönetilmesinden ve kontrol edilmesinden sorumludur. Kalibrasyon, darbe şekillendirme ve kübit kontrolü gibi donanım düzeyindeki görevleri yerine getirir. Geliştirilmekte olan farklı kuantum hesaplama biçimleri ve monolitik veya ağ bağlantılı kuantum sistemlerinin uygulama aralığı göz önüne alındığında, "kuantum kontrol sistemi" teriminin spesifik olmaktan çok kapsayıcı olduğunu düşünebiliriz. Aynı şekilde "kuantum işletim sistemi"nin de kesin ve kesin bir tanımı yoktur.

Geliştirme aşaması "Bilimden Teknolojiye" aşamasından "Mühendislikten Ürüne" aşamasına geçtikçe bu durum muhtemelen zaman içinde değişecektir. Özellikle mevcut ürün modelleri ve kullanıcıların ve/veya pazar yerinin terminolojisine daha yakın uyumun istendiği durumlarda. Çoğunlukla kontrol sistemi dahili bir kaynak olacaktır (işletim sistemi ile ürün yazılımı arasında bir şey) ancak aşağıdaki satıcılar ve ürünler dikkate değerdir.

8. Kuantum donanımı

Yığınımızın son katmanı kuantum donanımının kendisidir. Kübit oluşturmanın ve onlarla çalışmanın tek veya doğru bir yolu olmadığını hatırlamakta fayda var. Açık bir pazar lideri yaklaşımı da yoktur. Her yöntemin veya yaklaşımın kendine özgü zorlukları vardır ve belirli senaryolar için faydaları olan birden fazla yaklaşım bulunabilir.

Donanım katmanı, birçok kişinin "kuantum hesaplama" terimini duyduğunda aklına gelen şeydir; tıpkı ilk tüp ve valf hesaplama cihazlarının terminolojiyi ve dili mekanik etkileşimin katıksız gücüyle tanımlaması gibi. Anahtarlar ve delikli kartlar zamanla yerlerini talimatlara ve programlara bıraktı; sırasıyla bellek ve depolamayla genişletildi ve daha sonra ağlar ve sunucularla birbirine bağlandı.

Bu modeller, kuantum cihazlarının araştırılmasında ve geliştirilmesinde mevcuttur ve yukarıdan da görebileceğimiz gibi, örnek bir kuantum yığınının katmanları, her katmandaki mevcut uzmanlığa yeni ve ilginç fikirler sunma fırsatı sağlar. Yığındaki her bir temel teknolojinin ve katmanın sağladığı nüans göz önüne alındığında, hiç düşünmeyeceğimiz yeni yolları umuyoruz.

TL;DR?

Kuantum fizikçileri, elektrik ve elektronik mühendisleri, imalatçılar ve her türlü atom manipülatörü tarafından yapılan çalışma, bitleri ve (zetta)baytları karıştıran bizler tarafından yalnızca desteklenmekle kalmıyor, aynı zamanda mümkün kılınıyor. Katılmanın tam zamanı.

Yeni öğrenciler için iyi bir başlangıç , Q-CTRL'nin Black Opal'ı , Delft Üniversitesi'nin edX'teki üst düzey MOOC'u ve IBM'in Qiskit'ine giden kaçınılmaz yoldur . İşin C# tarafında olanlar için, bu Microsoft tanıtımında onların Q# yaklaşımına ve bunun Azure ekosistemine nasıl aktarıldığına hızlı bir bakış sunulmaktadır. Ve Classiq algoritma kütüphanesi yer imlerine eklenmeye değer.

Yakında yazılım mühendisleri için kuantum öğrenimi üzerine özel bir makale hazırlayacağım, çünkü bu , Açık Kaynak Zirvesi konuşmamdan (ve o zamandan beri meydana gelen mühendislik yeteneklerinde sürekli işten çıkarmalardan) bu yana neredeyse her hafta e-posta aldığım bir konu. Ekonominin soğukluğundan etkilenen insanlar ve aileler için herhangi bir sektör değişikliği zor olsa da, aksi takdirde kilitlenecek olan yeteneklerin (ve kariyer yollarının) kilidini açmak için bir fırsat olabilir. Bu nedenle, daha fazla araştırma yapmayı düşünüyorsanız lütfen bunu yapın ve yardımcı olabileceğim bir şey varsa bana ulaşın . Ayrıca Deep Tech ve Frontier Technology alanlarında gerçek ürünlerin nakliyesine yönelik strateji ve ustalığı incelediğimiz Product In Deep haber bültenine kaydolduğunuzdan emin olun.