Follow us
חינוך - Qubit-il
חינוך - הבסיס להכול
בעמוד זה תמצאו קישורים נוחים כדי להתמצא בעולם הקוונטים. בין אם מדריכים לרמות הבסיסות ללמידה מקוונת ובין אם קישורים למאמרים בתחומים הכי מתקדמים, מילוני מונחים, קישורים לאתרים מעניינים ועוד. למידה עצמית? המלצות ללימודים אקדמיים? תוכלו למצוא הכול כאן.
1 / התחלה קלה - באלי ללמוד קוונטים
Fully detailed introduction to the complete beginner
By Amit Mizrahi- B.Sc in Physics and Electrical engineering - Tel Aviv University
הרחבה ממש כאן למטה
2 / QEC - Quantum Error Correction
מה תוכלו ללמוד?
התחלה קלה - באלי ללמוד קוונטים
עמית מזרחי | 22.5.2022
"מה זה קוונטים?!", "איך להתחיל?!", "שמעתי שזה הולך להיות הדבר הגדול הבא – אני חייב להתחיל להדביק את הקצב", "מעניין אם זה לא רק תיאוריה.." גם לכם עברו המחשבות האלו בראש? מודה, גם לי. וכן, אני מאמין שעולמות טכנולוגיים מכל סוג שהוא, שמכילים התעסקות במכניקת הקוונטים הם עתירי פוטנציאל מדעי, לא רק תיאורטי, וכן – יש שם כסף. בפרסומים אחרים בבלוג שיפורסמו כאן נעסוק כמובן בתחומים השונים להם ה'עולם הקוונטי' שימושי, כאן בבלוג דווקא יש סקירה של משהו קצת אחר, ספציפי יותר – מחשוב קוונטי ומקורות למידה כדי שתוכלו להתחיל וללמוד כבר אחרי שקראתם את הפוסט.
מחשוב קוונטי כענף מדעי אחד מיני רבים, עוסק במתן פתרונות חכמים להרצת אלגוריתמים ובעיות חישוביות בצורה מהירה יותר. הפתרונות האלו נובעים מכך שהגודל הפיזי של יחידות העיבוד והחישוב הקלאסיות-בסיסיות (טרנזיסטורים) כבר כמעט לא יכולות לרדת מתחת לגודלן כיום (אנחנו לקראת סופו של חוק 'מור' – ותופעות קוונטיות כמו רעשי מנהור שדורשים התמודדות מתחילות להיווצר כאשר מקטינים את הטרנזיסטורים לגבול ה'ננו').
תכנונים חכמים של יחידות העיבוד או תקשורת ביניהן, כפי שמבצעות החברות הגדולות והאקדמיה בכל העולם הוא פתרון אחד של דחיסת יכולות חישוביות בגודל סופי נתון. פתרונות אחרים מתחילים להגיע מעולם המחשוב הקוונטי. עולם המחשוב הקוונטי משנה את התפיסה שביט שאוגר מידע הוא ביט שערכו '0' או '1' (בינארי) ועובר למניפה רחבה יותר של מצבים – והכל כדי שנוכל לבצע חישובים בצורה מהירה יותר. לדעתי - עולם המחשוב הקוונטי הוא הדבר הבא.
כמו בכל נושא מעניין – תוכלו לקבל תקציר נהדר ב"בקיצור" – התרגום החופשי לערוץ ה-YouTube – Kurzgesagt – In a Nutshell – בקישור הבא
https://www.youtube.com/watch?v=JhHMJCUmq28&ab_channel=Kurzgesagt%E2%80%93InaNutshell
שזירה קוונטית, סופרפוזיציה, הסוד לפיצוח צפנים, שערים קוונטיים, סימולציות מולקולריות - רוצים לגלות עוד? על כל אלו תוכלו ללמוד ברמה בסיסית בכלים שמצורפים בהמשך. הפוסט מכיל תקציר לכלים הלימודיים הראשונים שמומלצים כדי להיכנס לעולם המחשוב הקוונטי וייתכן שגם לתחומים קוונטיים אחרים. זהו הפוסט הראשון מתוך סדרת פרסומים בנושא הדידקטי. החלום שמונח כאן הוא שאולי גם בעזרתכם וכמובן בהתאם לביקוש - יפורסמו עם הזמן גם סיכומים בשפה העברית לתוכן האקדמי.
1. Quantum Computing for the Determined - קישור
קורס זה ניתן על ידי Michael Nielsen, והוא קורס קצר המכיר כ-20 סרטונים קצרים (כ5-15 דקות כל אחד) בשפה האנגלית שדנים בבסיס המחשוב הקוונטי. בעוד שהקורס או מקבץ הסרטונים די ישן (פורסם בשנת 2011), קיים קורס נוסף - Michael Nielsen ו-Andy Matuschak עליו מוסבר בפרק הבא.
הנושאים המכוסים על פי הסילבוס:
-
נושאים בסיסיים: Qubit, טיפים לעבודה עם Qubits, שערים קוונטיים, מדידת Qubit, מטריצות אוניטריות ושימושן לשימור אורך, מחשוב קוונטי אוניברסלי.
-
Superdense Coding: שליחת שני ביטים בשימוש Qubit בודד, מצב Bell והכנתו, מצבים שזורים, הבחנה בין מצבים קוונטיים.
-
Quantum Teleportation: מדידות חלקיות בבסיסים שונים, טלפורטציה קוונטית (פרוטוקול שמאפשר העברת מצב קוונטי לא ידוע בין שני משתמשים מבלי להעביר את הנשא הפיזי של המצב הקוונטי.).
-
TBC – The postulates of quantum mechanics: מצבים ומרחב המצב, דינמיקה, מדידות.
Michael Nielsen מסביר על שזירה קוונטית
הקורס לא מכסה נושאים בסיסיים חשובים נוספים כמו חישובים הפיכים ואלגוריתם חיפוש קוונטי של גרובר (Grover's quantum search algorithm). הקורס גם לא נכנס ליישום הפיזי של מכניקת הקוונטים בכלל. מומלץ לקרוא את סקירות העל (i) ו-(ii) כפי שמופיעות בהמשך עמוד זה יחד עם הצפייה בסרטונים כמידע משלים.
דרישות בסיס: שיהיה לכם נוח עם אלגברה ליניארית, ויכולת לחזור שוב על חומר שלא הבנתם – ההתחלה יכולה מעט לבלבל 😉
2. Qiskit (ההגייה הנכונה - קיסקיט!) - קישור
אולי גולת הכותרת בפוסט הזה, המאגר הכי נוח למשתמש שמכיל מידע תיאורטי לצד קוד, בצורה נגישה וגרפית. IBM מספקת חוברת למידה Open Source בשם 'Learn Quantum Computation Using Qiskit', החוברת מחברת ביעילות תיאוריה ופרקטיקה ועוזרת ללומדיה לגלות סדרות של בעיות שימושיות שיכולות לרוץ על מערכות קוונטיות אמיתיות. ל-IBM יש קטעי וידאו רבים הזמינים בערוץ ה-Youtube של Qiskit.
בערוץ יש פלייליסטים נהדרים שמכסים את לימוד קוד, סמינרים, הרצאות מתקדמות, שידור פאנל פתוח שעוסק במציאת עבודה בתחום וכו'..
מקטע סיכום מתוך קורס המבוא של Qiskit על אלגוריתם החיפוש של Grover.
מעבר לכל החומר שזמין לצפייה ולחוברת הלמידה, באתר מתפרסמים גם קורסים של 'מחנות קיץ' וחוברות שלמות המכילות גם תיאוריה וגם קוד ללמידה של תחומים שונים – Quantum machine learning, Quantum Hardware, Quantum Computing.
ואם זה לא הספיק – אז מעבדת קוד שמכילה 9 פרקים – מהיפוך Qubit הבסיסי ועד לאלגוריתם Shor. שפע של ידע בלחיצת כפתור.
רבים הם המשאבים ללמוד מהם, בפוסט השני בנושא נסקור מקורות נוספים קורסים שניתנים ב-QuTech Academy באתר edX.org, קורסים של Caltech, אוניברסיטת ברקלי, MIT, ערוצי Youtube וכלים אינטרנטיים נוספים כמו Bomb Tester Kit של חברת Thorlabs.
3. Quantum.country - קישור
קורס מאוד מסודר לקריאה קלה ונוחה, מאורגן עם "חידוני אמצע" במהלך קריאת הפרקים כדי שתוכלו לזכור ולהפנים את מה שקראתם. גם הקורס הזה בשפה האנגלית. אמנם הוא לא מכיל סרטונים לצפייה ולשמיעה, אך הקריאה בו מונגשת לקהל החל מהפתיחה. גם כאן תצטרכו לדעת אלגברה ליניארית (בכלל מומלץ כבסיס לעיסוק במחשוב קוונטי – תצטרכו את זה כך או כך). הקורס מכיל ארבעה פרקי קריאה אינטראקטיביים, ודומה מאוד (אך לא חופף כלל) לקורס הראשון:
יש תרגילים חישוביים כחלק מהקורס! והוא גם יבדוק אתכם אחת לכמה זמן שאתם זוכרים את החומר!
-
Quantum computing for the very curious – פרק המסכם את בסיס המחשוב הקוונטי – מצב קוונטי של קיוביט, מבוא לשערים קוונטיים, מחשוב קוונטי אוניברסלי.
-
אלגוריתמי חיפוש קוונטיים: כיצד האלגוריתמים עובדים? בפרק זה קיימת סקירה של אבני היסוד לאלגוריתמי החיפוש, שיקוף מצבים קוונטיים וסקירת מדידות קוונטיות.
-
Quantum Teleportation: הבנה בסיסית של פרוטוקול הטלפורטציה, דיון בסוגיית מעקף מהירות האור, מדידות קוונטיות חלקיות..
-
Quantum Mechanics Distilled: הפוסטולטים (אקסיומות) של מכניקה הקוונטים, תקציר נוסף על המכניקה הקוונטית, אי שוויון בל ותיאורו באמצעות מכניקת הקוונטים.
המלצה אישית – אם אתם רוצים סקירה של העולם הקוונטי בלבד, ואתם אוהבים לשמוע הרצאות דרך צפייה בסרטונים הייתי ממליץ על הקורס הראשון משנת 2011 – הוא מספיק לכם 😉 בכל אופציה אחרת – אם אתם בונים עתיד בתחום המחשוב הקוונטי (או לכל 'צורך קוונטי' אחר) ובאים עם רקע מתמטי – הייתי ממליץ כקורס ראשון לקחת דווקא את הקורס הזה – quantum.country כקורס הראשוני.
4. Quantum.country - קישור
חברת Microsoft בשיתוף עם X –The Moonshot Factory, יצרו קורס מחשוב קוונטי מקוון שניתן באתר Brilliant. הקורס בעל 33 פרקים ומלמד את עקרונות המחשוב הקוונטי ומספר אלגוריתמים בשימוש שפת Q# של מיקרוסופט או Python. תוכלו להתנסות בשני החלקים הראשונים של הקורס בחינם, ואת השאר תצטרכו לרכוש דרך האתר.
מיקוד הקורס הינו למידה של שימוש בעקרונות מכניקת הקוונטים לחישוביות. בסוף הקורס תדעו איך למצוא את דרככם בעולם האינפורמציה הקוונטית, ותקבלו ניסיון וידע אודות מעגלים קוונטיים בסיסיים, תכתבו קוד קוונטי (מבטיחים 100 שורות קוד לפחות 😉), וגם לא תישארו בורים בפיזיקה הקוונטית.
מה מכוסה?
Qubits, מצבים קוונטיים, סופרפוזיציה, שזירה, מעגלים קוונטיים, אלגוריתמי NISQ, קריפטוגרפיה, טלפורטציה, Superdense Coding, כימיה קוונטית, אלגוריתמי Grover ו-Shor.
5. Quantum Katas - קישור
גם אם לא שפר מזלכם להיות חלק מקורס המחשוב הקוונטי הצה"לי, תוכלו להתנסות בסדרת מדריכים מקוונים באדיבות חברת Microsoft – הנגישים לכולם, בשם Quantum Katas.
המדריכים האלו הם פרויקט Open-Source שמכיל סדרה של תרגילי תכנות בשימוש שפת Q# - שתוכלו ללמוד בקצב שלכם. התרגילים משתמשים בארגז כלי הפיתוח הקוונטי של Microsoft והינם סדרה של משימות חישוב הדורשות מהמשתמש להזין קוד בשורות נגישות (תוכלו גם לראות את התשובות!).
כל תרגיל חושף פן אחר ביסודות המחשוב הקוונטי – משערים לוגיים ועד לאלגוריתמים – להם גם קיים חומר תיאורטי מלא המופיע במדריכי האתר. למידע נוסף תוכלו לקרוא את הבלוג של Microsoft בקישור הזה ולהוריד את הוראות ההתקנה והקוד הפתוח ממש כאן.
בפוסט נפרד נרחיב מעט על Q# ועל היתרונות והחסרונות שלה לעומת השפות האחרות, והיכן היא באמת שימושית. בינתיים אתם יכולים כבר להיכנס ולהתחיל ללמוד.
דוגמא לתרגיל תכנות קצר המכיל מטלה לשינוי פאזה של Qubit מתוך הקוד הפתוח הציבורי - Quantum Katas.