В квантовом подразделении IBM рассчитывают, что программное обеспечение с открытым кодом поможет совершить новые открытия в области квантовых вычислений.
Исследователи, ученые, преподаватели, энтузиасты, предприниматели – все эти категории представлены в сообществе Qiskit, разрабатывающем на базе программы квантовых вычислений корпорации IBM платформу с открытым кодом, которая должна предоставить всем желающим доступ к реальным квантовым вычислениям в облаке.
Она стала преемником программы IBM Quantum Experience (сокращенно IBM Q Experience), в рамках которой квантовые компьютеры перемещались в облако (впервые), а исследователи и разработчики могли осваивать совершенно новую для себя сферу вычислений. Платформа Qiskit (Quantum Information Science Kit) существует уже больше года.
С момента открытия Q Experience энтузиасты создавали игры и сочиняли музыку с применением реальных квантовых компьютеров, а ученые и исследователи использовали кубиты для решения задач, которые ранее считались очень сложными.
– Для простоты выражения используется интерфейс Python, который существенно расширен по сравнению с первоначальной версией. «По сути, Q Experience – это интерфейс API, позволяющий людям отправлять задания на выполнение на реальное квантовое оборудование, – пояснил инженер-исследователь IBM Али Джавади. Конечная цель заключается в том, чтобы предоставить доступ к квантовому компьютеру группе очень разных людей».
Это совершенно новый опыт, и никто, даже в IBM, не знает, к чему приведут соответствующие квантовые эксперименты. По понятным причинам платформа Quantum привлекла внимание широкого круга специалистов в этой области. Говоря упрощенно, в отличие от традиционного метода вычислений, при котором бит данных может находиться в одном из двух состояний – 1 или 0 – квантовые биты (или кубиты) находятся в обоих состояниях одновременно.
– Вычислительные задачи такого рода очень трудно решить на классическом компьютере, и мы убеждены в том, что первым применением квантового компьютера должно стать ускорение решения сложных задач в определенных сферах. «Разработчики могут писать квантовые программы наряду с учеными, являющимися специалистами в какой-то конкретной узкой области и использующими высокоуровневые библиотеки для создания, например, приложений квантовой химии или проведения квантовой оптимизации, – указал Джавади. Кроме того, они смогут поближе познакомиться с тем, что предлагают квантовые вычисления». Представленная нами недавно библиотека Qiskit Acqua должна помочь этим людям, не погружаясь глубоко в область квантовых вычислений, использовать их в качестве ускорителя при решении сложных задач.
Одна из ближайших задач квантовых устройств связана с тем, что имеющиеся ресурсы весьма ограничены, будь то число кубитов или количество операций, выполняемых над этими кубитами. Джавади получил образование в области информатики, а конкретно – квантовых компиляторов. Компиляторы принимают входные данные от пользователей и оптимизируют их в соответствии с объемом доступных ресурсов для получения наилучшего результата.
– К этой области проявляется большой интерес. «В последние пять-шесть лет мы стали свидетелями действительно быстрого прогресса в квантовой сфере, – подчеркнул Джавади. Исследования должны помочь нам понять, для решения каких задач она подходит. Дело в том, что речь идет о совершенно иной модели вычислений, точную мощность которой еще только предстоит определить. Предоставив людям желаемый доступ, мы можем совершить множество открытий. Одним из приятных побочных эффектов предоставления большому количеству людей доступа к этим устройствам является то, что у них появится возможность запускать свои собственные программы и проводить необходимые вычисления. В силу вступает мудрость толпы».
Помимо научных приложений предприятия могут быть заинтересованы в использовании квантовых вычислений для оптимизации сложных математических моделей, связанных, например, с функциями затрат. Сюда отлично вписывается элемент с открытым кодом. Компании начинают изучать, каким образом квантовые технологии и Qiskit могут удовлетворить их потребности.
С момента запуска Qiskit в 2017 году Джавади говорил, что успех взаимодействия с сообществом застал многих людей врасплох.
человек и свыше 90 тыс. «По моим оценкам, подписку на сервис IBM Q Experience уже оформили около 90 тыс. – В общей сложности через API было отправлено более 5 млн заданий для Qiskit в облаке. загрузили Qiskit, – заметил он. Число участников сегодня достигает 70 человек. Нас радует, что проект Qiskit реализуется с открытым кодом, благодаря чему свой вклад в него вносит много внешних исполнителей. Конечно, многие из них работают в IBM, но свои изменения в программное обеспечение с открытым кодом привносят и сторонние разработчики».
Сюда относятся конкурсы на лучшие курсы обучения квантовой механике с использованием Qiskit и лучший учебник по квантовым вычислениям на базе этой платформы. Сообщество регулярно публикует статьи – в настоящее время количество публикаций о Qiskit, представленных в той или иной форме, уже достигло 120 – а также проводит учебные состязания в рамках программы IBM Q Awards.
– Победители собираются писать свой код, и это будет способствовать дальнейшему укреплению сообщества». «Мы получаем действительно хорошие материалы, – подчеркнул Джавади.
При этом Джавади подчеркнул, что предлагаемый Q Experience доступ оказывает чрезвычайно важное влияние на всю исследовательскую отрасль. Шумиху (зачастую непостижимую) вокруг квантовой механики было бы проще понять, если бы ею сопровождались какие-то развлекательные проекты вроде игр или музыкальных композиций.
Альтернативным вариантом являлось использование имитационного моделирования при демонстрации ожидаемой работы квантовой механики. Еще лет пять тому назад проведение квантовых экспериментов предполагало возню с устройствами и проводами в лаборатории. Сегодня же практически каждый может получить доступ к реальному квантовому устройству в облаке.
– Устройства доступны в Интернете, и все то же самое можно выполнить, направив скрипт Python. «Сегодня процессы уже вышли за пределы лаборатории, – пояснил Джавади. В широком смысле речь идет о любимой для меня теме, которая действительно полезна для науки и способствует научному прогрессу в целом. Посещать лабораторию для этого вовсе не обязательно. Если ранее, к примеру, кто-то объявлял об открытии базовых эффектов квантовой механики, проверить это было невозможно. Кроме того, это помогает воспроизводить полученные результаты. Теперь же достаточно еще раз запустить тот же самый код, и все желающие могут убедиться в справедливости сделанных заявлений самостоятельно».
Но уже сейчас виден огромный потенциал для дальнейшего роста и будущих открытий. Очевидно, что захватывающая новая область находится еще в самом начале своего становления, а исследователи только начинают открывать применения для квантовых вычислений.
– За последние несколько лет исследуемое поле наполнилось новой положительной энергией – если взглянуть на пространство квантовых алгоритмов, были сделаны очень важные открытия в том, что мы можем делать с квантовым компьютером. «У нас появилась надежда, – заметил Джавади. Я действительно надеюсь, что академическое сообщество будет использовать инструменты, которые не были доступны, даже в мои аспирантские времена – что было не так давно, каких-то лет пять назад. Область эта развивается очень быстро, и в ближайшие десять лет нас ждет много всего интересного. Когда мне хотелось изучить какой-то конкретный эффект, приходилось выстраивать модель на ноутбуке, но теперь соответствующие устройства доступны, и для них уже созданы необходимые инструменты, в частности, Qiskit. Никаких подобных инструментов еще не существовало. Отличная возможность для проведения исследований и конкретизации изучаемой концепции – фактически мы получаем исполняемый код с его просмотром в действии».