Einführung in Qiskit

Der Name „Qiskit“ ist ein Oberbegriff für eine Sammlung von Software zur Ausführung von Programmen auf Quantencomputern. Zu den bemerkenswertesten dieser Softwaretools zählen die Open-Source- Qiskit SDK sowie die Laufzeitumgebung, auf die über den „ IBM Quantum Compute Service“ (früher bekannt als „ Qiskit Runtime Service“) zugegriffen wird und über die Sie Workloads auf den Quantenprozessoreinheiten (QPUs) von „ IBM® “ ausführen können. Mit der Weiterentwicklung der Quantentechnologie entwickelt sich auch Qiskit weiter: Jedes Jahr werden neue Funktionen veröffentlicht, die diese Kernsammlung an Quanten-Software erweitern.

Darüber hinaus sind viele Open-Source-Projekte Teil des breiteren Qiskit-Ökosystems. Diese Software-Tools sind nicht Teil von Qiskit selbst, sondern bilden eine Schnittstelle zu Qiskit und können wertvolle zusätzliche Funktionen bieten.

IBM setzt sich für eine verantwortungsvolle Entwicklung der Quanteninformatik ein. Weitere Informationen und eine Übersicht über unsere verantwortungsvollen Quantenprinzipien finden Sie unter Verantwortungsvolle Quanteninformatik.

Die „ Qiskit SDK “

Das Qiskit SDK (Paketname qiskit) ist ein Open-Source-SDK für die Arbeit mit Quantencomputern auf der Ebene erweiterter (statischer, dynamischer und geplanter) Quantenschaltungen, Operatoren und Primitive. Diese Bibliothek ist die Kernkomponente von Qiskit; sie ist das größte Paket unter dem Namen Qiskit mit dem umfangreichsten Angebot an Werkzeugen für die Quantenberechnung, und viele andere Komponenten haben Schnittstellen zu ihr.

Zu den nützlichsten Funktionen von Qiskit SDK gehören:

• Werkzeuge für die Schaltungserstellung (qiskit.circuit) - Zum Initialisieren und Manipulieren von Registern, Schaltkreisen, Anweisungen, Gattern, Parametern und Kontrollflussobjekten.

• Schaltkreis-Bibliothek (qiskit.circuit.library) - Eine große Auswahl an Schaltungen, Befehlen und Gattern - wichtige Bausteine für schaltungsbasierte Quantenberechnungen.

• Quanteninfo-Bibliothek (qiskit.quantum_info) - Ein Toolkit für die Arbeit mit Quantenzuständen, Operatoren und Kanälen unter Verwendung exakter Berechnungen (kein Abtastrauschen). Verwenden Sie dieses Modul, um Input Observables zu spezifizieren und die Zuverlässigkeit der Ausgaben von Primitivabfragen zu analysieren.

• Transpiler (qiskit.transpiler) - Zur Umwandlung und Anpassung von Quantenschaltungen an eine bestimmte Gerätetopologie und zur Optimierung für die Ausführung auf echten Quantenverarbeitungseinheiten (QPUs).

• Primitives (qiskit.primitives) – Das Modul, das die Basisdefinitionen und Referenzimplementierungen der Primitive „Sampler“ und „Estimator“ enthält, auf deren Grundlage verschiedene Anbieter von Quantenhardware ihre eigenen Implementierungen ableiten können. Weitere Informationen zu den „ IBM Quantum “-Primitiven finden Sie in der Dokumentation.

Installation durchführen

Eine ausführlichere Anleitung zur Installation des „ Qiskit SDK “ findest du auf der Installationsseite. Wenn Sie bereit sind, es jetzt zu installieren, führen Sie einfach folgenden Befehl aus:

pip install qiskit

Benchmarking und das Benchpress-Paket

Benchmarking ist wichtig für den Vergleich der relativen Leistung von Quantensoftware in verschiedenen Phasen eines Entwicklungsprozesses. Benchmarking-Tests für Quantensoftware könnten beispielsweise die Geschwindigkeit und Qualität des Aufbaus, der Manipulation und der Transpilierung von Schaltkreisen untersuchen. IBM Quantum ist bestrebt, ein möglichst leistungsfähiges SDK zu liefern. Zu diesem Zweck wird Qiskit SDK mit über 1.000 Tests verglichen, die von führenden Universitäten, nationalen Labors und Forschern unter IBM entwickelt wurden. Die für diese Tests verwendete Benchmarking-Suite mit dem Namen Benchpress ist jetzt als Open-Source-Paket verfügbar. Sie können nun das Benchpress-Paket verwenden, um Ihre eigene Analyse der Leistung des Quantum SDK durchzuführen.

Qiskit-Add-ons

Qiskit-Addons sind eine Sammlung von Forschungsfunktionen für die Entdeckung von Algorithmen in großem Maßstab. Diese Fähigkeiten bauen auf Qiskit's leistungsfähigem Fundament von Tools zur Erstellung und Ausführung von Quantenalgorithmen auf. Addons sind modulare Softwarekomponenten, die in einen Arbeitsablauf integriert werden können, um ihn zu skalieren oder neue Quantenalgorithmen zu entwickeln. Um mehr über die verfügbaren Qiskit-Addons zu erfahren und wie Sie sie verwenden können, besuchen Sie die Dokumentation.

Das Qiskit-Ökosystem

Über Qiskit hinaus gibt es viele Open-Source-Projekte, die den Namen "Qiskit" verwenden, aber nicht Teil von Qiskit selbst sind; vielmehr bilden sie eine Schnittstelle zu Qiskit und können wertvolle zusätzliche Funktionen zur Ergänzung des Kern-Workflows von Qiskit bieten. Einige dieser Projekte werden von IBM Quantum Teams gepflegt, während andere von der breiteren Open-Source-Gemeinschaft unterstützt werden. Qiskit SDK ist modular und erweiterbar aufgebaut, so dass es für Entwickler einfach ist, Projekte wie diese zu erstellen, die die Fähigkeiten des Systems erweitern.

Einige beliebte Projekte im Qiskit-Ökosystem sind:

• Qiskit Aer (qiskit-aer) - ein Paket für Quantencomputer-Simulatoren mit realistischen Rauschmodellen. Es bietet Schnittstellen zur Ausführung von Quantenschaltungen mit oder ohne Rauschen unter Verwendung mehrerer verschiedener Simulationsmethoden. Gepflegt von IBM Quantum.
• qBraid SDK (qbraid) - ein plattformunabhängiges Quanten-Laufzeit-Framework für Anbieter von Quantensoftware und -hardware, das die Verwaltung von Quantenaufträgen über den gesamten Lebenszyklus hinweg vereinfacht - von der Definition der Programmspezifikationen über die Auftragserteilung bis hin zur Nachbearbeitung und Visualisierung der Ergebnisse. Gepflegt von qBraid.
• mthree mthree - ein Paket zur Implementierung von M3 (Matrix-free Measurement Mitigation), einer Messungsminderungstechnik, die korrigierte Messungswahrscheinlichkeiten mit Hilfe eines Dimensionalitätsreduktionsschritts löst, gefolgt von entweder direkter LU-Faktorisierung oder einer vorkonditionierten iterativen Methode, die nominell in O(1)-Schritten konvergiert und parallel berechnet werden kann. Gepflegt von IBM Quantum.

Auf der Seite des Qiskit-Ökosystems finden Sie einen Katalog von Projekten sowie Informationen darüber, wie Sie Ihr eigenes Projekt nominieren können.

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