量子計算：IBM Quantum Experience 簡介

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量子電腦號稱計算能力遠大於傳統電腦，由於強大的計算能力，因此吸引世界各國競相投入資源進行研究，近幾年來也取得了大量的進展，尤其在2016年IBM就推出 IBM Q5 五位元量子電腦，及量子計算雲端平台（IBM Quantum Experience），供大眾在線上體驗量子電腦。為了讓讀者能一窺這最新的技術，本篇文章將跟大家介紹IBM Quantum Experience平台，希望能讓大家有更進一步的認識。

一、量子位元（Quantum bit）及量子閘（Quantum gate）基本介紹

在介紹IBM的量子計算雲端平台之前，讓我們先來談談量子電腦與傳統電腦運作上的異同。首先，我們來看看傳統電腦的運作方式。傳統電腦的基本架構包含有運算單元（0及1），以及各類的運算元件（AND、OR、NOT、XOR、XNOR等）。傳統電腦的運作方式就是透過將這些運算元件（AND、OR等）作用在運算單元（0及1）上即可完成各類的運算功能。

量子電腦的運作方式亦是類似的架構，不過量子電腦的運算單元為一個量子位元（quantum bit）。量子位元除了0及1之外，也包含了0和1的所有疊加態，如下圖所示，也就是說，一個量子位元可以用來代表圖中圓（Bloch sphere）的任一個點。因此一個量子位元所能代表的資訊遠大於傳統電腦的運算單元（0及1），通常我們以符號|q>表示。

摘自科技大觀園(https://scitechvista.nat.gov.tw/c/sT0w.htm)

 

由於量子位元具有更多的資訊，我們能對它的操作也更豐富，因此量子電腦亦需不同的量子運算元件來支援，一般我們稱量子運算元件為量子閘（quantum gate），常見的量子閘有Hadamard gate、Pauli gate、Phase gate、dagger gate、CNOT gate等。下圖為IBM Quantum Experience所提供的量子閘。

 

二、IBM Quantum Experience介紹

  1. 帳號註冊

有了量子電腦的基本觀念之後，接下來我們就可以來看看如何透過IBM的量子計算雲端平台來實現量子計算。首先我們需要連線至IBM Quantum Experience (https://quantum-computing.ibm.com/)量子計算雲端平台，並在平台的首頁註冊帳號。完成註冊後即可登入使用。

在首頁左邊的功具列，有如下的功能選擇：

  1. Circuit Composer：提供透過圖形化介面直接進行量子計算。
  2. Quantum Lab：提供透過Python及Qiskit進行量子計算。
  3. Docs：線上說明文件。

這裡我們可以看到平台共有提供2種系統讓大家可以選擇，一個是圖型化介面，一個則是結合高階語言。另外平台也有提供線上說明文件讓大家可以線上查詢。本文後面將就圖形化介面的Circuit Composer做進一步介紹。

 

  1. Circuit Composer介紹

在前述首頁工具列點選Circuit Composer選項，即可進入Circuit Composer系統畫面，如下圖。以下我們就來看看系統的各功能區並做個簡單的介紹。

  1. 功能列
  2. 執行程式
  3. 開啟及編輯量子線路（Quantum Circuit）：所謂量子線路即由數個量子閘組合所形成的運算元件，由於圖形和傳統電子電路相似，故稱量子線路。此處我們可以開啟及編輯已儲存的量子線路。
  4. 開啟及編輯OpenQASM 和 Qiskit程式碼：當我們編輯量子線路後，系統會自動產生對應的OpenQASM 和 Qiskit程式碼，該等程式碼可結合Python語言在平台的另一系統Quantum Lab執行運作。
  5. 量子閘元件：各類量子閘功能請參考Operations glossary。
  6. 量子線路（Quantum Circuit）編輯區：此處即我們編輯量子線路執行量子計算的區域。編輯區左邊q0-q1即代表量子位元，c1代表傳統位元用以顯示執行結果。編輯區中間用來置放量子閘，形成量子線路。例如將某量子閘A拉到某位元q後面，即代表A作用於該量子位元q，以符號表示即為Ａ|q>。
  7. 工具列
  8. 視覺化圖區：即時提供量子線路執行成果。

 

3.製作量子線路及執行量子計算

我們以下圖來介紹如何製作量子線路及執行量子計算。在下圖中，我們在量子位元q0拉了一個Hadamard gate，然後我們拉了一個CNOT gate作用在量子位元q0和q1，最後我們利用measure gate來做量測，將產生的結果輸出在傳統位元c2。如此即完成一個量子線路。當我們按下程式執行，即會在下方的視覺化圖區列印結果出來。

 

三、結語

在本文我們介紹了如何透過IBM Quantum Experience的圖形化介面Circuit Composer來設計我們的量子線路，執行量子計算。透過這個介面可以幫助我們快速的認識各種量子閘及其操作。不過透過這個介面較難設計複雜功能的計算。IBM Quantum Experience另外提供Quantum Lab系統，可以透過Python語言及Qiskit，呼叫各類的套件，來協助設計複雜功能的計算，有興趣的讀者可以到IBM Quantum Experience網頁有更深入的介紹。

 

參考文獻

  1. IBM Quantum Experience網頁：https://quantum-computing.ibm.com/。
  2. 科技大觀園：https://scitechvista.nat.gov.tw/c/sT0w.htm。

 

by 物理系圖書室