تراكب كمّي لنمر ودب

هذه صورة لنمر ودب متراكبان فوق بعضهما البعض. على الرغم من أن هناك العديد من الطرق التي يمكن للمرء أن يحاول فيها تحقيق هذا التأثير ، فقد استخدمت أسلوبًا غريبًا نوعًا ما: لقد أنشأت تراكبًا كميًا لها على جهاز كمبيوتر كمومي.

قبل أن ننتقل إلى ما هي أجهزة الكمبيوتر الكمومية ، دعونا نحصل على دليل سريع على الحواسيب المألوفة أكثر. أجهزة الكمبيوتر العادية مصنوعة من أجزاء: أجزاء صغيرة من المعلومات التي يمكن أن تأخذ القيمة 0 أو 1.

يمكن أيضًا دمج البتات لعمل سلاسل بت ، مثل 0001 أو 0010. وهذه طريقة قوية لتشفير أي معلومات إلى حد كبير. أبسط مثال على استخدامها للأرقام: 1 هو 1 ، 10 هو 2 ، 100 هو 4 ، وهكذا لجميع القوى من 2 وكل شيء بينهما.

بدلاً من ذلك ، يتم تصنيع أجهزة الكمبيوتر الكمومية بالكيلوبتات. مثل البتات ، يمكن أن تأخذ هذه القيم 0 و 1 ، ويمكننا دمجها لعمل سلاسل أيضًا. إذا أردنا ، يمكننا فقط استخدام الكوبت كنوع بديل من البت.

سيكون هذا أمرًا مكلفًا للغاية ، حيث تحتاج الكيوبتات إلى رعاية واهتمام أكثر بكثير من البتات. ولكن نظرًا لأن IBM تقدم معالجات كمية أولية مجانًا على السحابة ، فليس علينا أن ندفع النفقات.

لذا دعنا نكتب بعض الأشياء باستخدام الكوبت!

أسهل شيء للكتابة هي الأرقام ، لكنها مملة بعض الشيء. لذا دعنا نذهب للنص بدلاً من ذلك. يوفر معيار ASCII طريقة لتعيين سلاسل من الأحرف والأرقام وعلامات الترقيم إلى سلاسل من البتات. هذا يعني أنه يمكننا استخدام جهاز سحابة 16 بت من آي بي إم لترميز بعض الرموز.

إليك زوجان من سلاسل بت الرموز التعبيرية التي يمكننا استخدامها.

؛) = 00111011 00101001 8) = 00111000 00101001

من الواضح أننا لا نحصل على المزايا الكاملة للكيوبتات عندما نستخدمها فقط للرموز التعبيرية. لا يأتي هذا من كيفية ترميز المعلومات ، ولكن من كيفية معالجتها. فبدلاً من التقيد بالبوابات المنطقية القياسية في قلب أجهزة الكمبيوتر العادية ، يمكننا القيام بعمليات كمية أكثر تعقيدًا أيضًا.

وبمعنى ما ، يمكن لهذه العمليات أن تسمح للكيوبت أن يكون 0 و 1 في آن واحد: تراكب كمومي. يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية استخدام هذه التراكبات لإنشاء تأثيرات التداخل ، تمامًا كما نرى عندما تتراكم الموجات. يمكن بعد ذلك تسخير هذه التأثيرات في برامجنا الكمية ، مما يسمح لنا بإيجاد طرق أقصر بين المدخلات والمخرجات.

ولكن إذا عدنا إلى العبث فقط باستخدام الرموز ، يمكننا استخدام هذه الوظيفة لإنشاء تراكب من ؛) و 8).

عندما نقوم بذلك ، نستخرج الناتج مباشرة من التراكب. وبسبب هذا ، لا نرى أيًا من الدقة في التدخل. بدلاً من ذلك ، يعمل فقط كمولد لسلاسل بت عشوائية لـ ؛) و 8). يمكن بعد ذلك استخدام هذه المخرجات العشوائية ، مع Matplotlib ، لإنشاء صورة لتمثيل التراكب.

الآن دعونا نستخدم نفس المبدأ ، ولكن نفعل شيئًا أكثر تعقيدًا من مجرد الرموز. دعونا تراكب الصور!

للقيام بذلك ، نحتاج إلى إعطاء الصور ترميزًا ثنائيًا. بالنسبة لمجموعة معينة من السلاسل الثنائية ، نقوم بتعيين صورة معينة لكل منها. هذا يعني ببساطة أننا سنأخذ مجموعة من ملفات الصور ، ونعطيها سلاسل ثنائية كأسماء ملفات.

الإسناد على https://github.com/decodoku/Quantum_Programming_Tutorial/blob/master/image-superposer/images/License

اخترت استخدام مجموعة من صور الحيوانات من ويكيميديا ​​كومنز. مع سلاسل بسيطة (ولكن ليست بسيطة للغاية) من أربعة بتات ، يمكننا الحصول على 16 صورة مختلفة.

الآن كل ما علينا القيام به هو اختيار صورتين لتركيبها. على سبيل المثال ، ذهبت إلى 0010 (الدب) و 0001 (النمر). بمجرد إجراء هذا الاختيار ، نعرف سلاسل البت التي نحتاجها لإنشاء تراكب كمومي لـ.

يتطلب إنشاء التراكب أن نخبر بعض الكيوبتات بما يجب القيام به. لذلك نحن بحاجة إلى برنامج كمومي. سنحتاج أيضًا إلى إرسالها إلى معالج الكم ، لأن هذا هو المكان الذي تعيش فيه الكيوبتات. لحسن الحظ ، لا شيء من هذه الأشياء مخيف كما يبدو!

تم إعداد معظم البرمجة لك بالفعل في دفتر ملاحظات Jupyter. يؤدي ذلك إلى إعداد المهمة وإرسالها إلى أحد أجهزة الكم من IBM باستخدام QISKit Quantum SDK.

من الناحية المثالية ، يجب أن تبصق النتائج بنتائج مختارة مع احتمال 50/50. ولكن بدلاً من الاعتماد فقط على الرياضيات للتنبؤ بما سيفعله الكمبيوتر الكمومي ، دعنا نجعل المرء يفعل ذلك. سنقوم بتشغيل البرنامج عدة مرات ونستخدم النتائج لتقدير الاحتمالات. سيتم استخدام هذه بعد ذلك لخلط الصور معًا بمتوسط ​​مرجح ، مع قوة كل صورة مقدمة من احتمال اسم الملف الخاص بها.

الجزء الوحيد المفقود من دفتر الملاحظات هو الجزء الأكثر أهمية: إعداد التراكب. هذا هو القلب الكمي للبرنامج ، وهو الجزء الذي ستحتاج إلى تغييره إذا كنت تريد تراكب زوج مختلف من الصور. ولكن لا تقلق ، لقد صنعت لعبة تساعدك من خلالها.

سيتيح لك وضع الصورة المتراكبة لهذه اللعبة اختيار أسماء الملفات ، ويقودك على الرغم من عملية التراكب عليها.

مع هذا ، كتبت مقتطف الشفرة اللازم لإنشاء تراكبي والنمر. ثم استخدمت دفتر ملاحظات جوبيتر لإرسال المهمة إلى جهاز كمومي حقيقي. وفي النهاية حصلت على صورة.

نصف النمر ونصف الدب ، أو ما يقرب من ذلك. بسبب الضوضاء في الأجهزة الكمومية الحالية ، هناك أيضًا آثار طفيفة لحيوانات أخرى. تنشأ هذه لأن الكمبيوتر الكمومي يبصق في بعض الأحيان أسماء ملفاتهم عن طريق الخطأ. الأبرز هو وحيد القرن ، الذي يمكن رؤية قرنه فوق مخلب الدب الأيمن.

الآن لديك كل ما تحتاجه لإنشاء فن الكم الخاص بك. إذا كنت لا تحب الصور التي اخترتها ، فما عليك سوى العثور على 16 من صورك الخاصة وإعطائها أسماء الملفات الثنائية بدلاً من ذلك. ولكن إذا أرسلت حبيبتك تراكبًا كميًا معًا ، فاحذر من القنابل الضوئية التي تسببها الضوضاء الكمومية!