كيسكيت

تُعدّ حزمة تطوير البرمجيات Qiskit SDK هي مجموعة الأدوات البرمجية الأساسية للعمل مع الحواسيب الكمومية على مستوى الدوائر الكمومية الموسعة (الثابتة، والديناميكية، والمجدولة)، والمؤثرات، والعناصر الأساسية. وهي مُوزّعة كحزمة بايثون باسم qiskit ، وهي إطار عمل مفتوح المصدر يُمكّن المستخدمين من بناء الدوائر الكمومية، ومعالجة المؤثرات الكمومية، والتفاعل مع الأجهزة الكمومية أو برامج المحاكاة. تُشكّل حزمة Qiskit SDK المكوّن الأساسي لحزمة برمجيات Qiskit، إذ تُوفّر أكبر مجموعة من الميزات، وتُمثّل الأساس الذي تُبنى عليه خدمات ووحدات Qiskit الأخرى.

تتضمن الميزات الرئيسية لحزمة تطوير البرمجيات Qiskit وحدات لبناء الدوائر الكمومية وتسجيل العمليات الكمومية، ومكتبة من بوابات المنطق الكمومي المُعرَّفة مسبقًا والدوائر المُعَلمة، ووحدة معلومات كمومية للتعامل مع الحالات والمؤثرات الكمومية، ومترجم برمجي يُحسِّن ويُحوِّل الدوائر لتشغيلها على واجهات خلفية محددة للأجهزة الكمومية. على سبيل المثال، تُمكِّن Qiskit المستخدمين من إنشاء دوائر كمومية باستخدام واجهة برمجة تطبيقات بايثون سهلة الاستخدام ، ثم استخدام المترجم البرمجي لتكييف هذه الدوائر وتحسينها وفقًا لبنية الجهاز وقيوده (تقليل عدد البوابات أو عمق الدائرة حسب الحاجة). كما توفر حزمة تطوير البرمجيات أدوات لنمذجة الضوضاء وتدعم العناصر الأساسية - مكونات البرامج الكمومية الأساسية (مثل أدوات أخذ العينات والمُقدِّرات لنتائج الدوائر) - التي تُشكِّل لبنات بناء لخوارزميات كمومية عالية المستوى ، ويمكن تنفيذها باستخدام محاكيات محلية أو خدمات سحابية. هذه الميزات مجتمعة تجعل Qiskit SDK منصة شاملة لتطوير الخوارزميات الكمومية والتجارب بطريقة مستقلة عن الأجهزة.

خدمة الحوسبة الكمومية من IBM هي خدمة تنفيذ كمومية سحابية قدمتها IBM لتبسيط تشغيل الحسابات الكمومية على أنظمة IBM الكمومية . تتيح هذه الخدمة للمستخدمين تشغيل البرامج الكمومية مع إدارة إضافية من جانب الخادم، مما يحسن الأداء عن طريق تقليل زمن استجابة الاتصال بين الأنظمة الكلاسيكية والكمومية والاستفادة من تقنيات متقدمة لتخفيف الأخطاء الكمومية.

توفر خدمة الحوسبة الكمومية من IBM بيئة سحابية مُحسّنة لإرسال أحمال العمل الكمومية إلى بيئة تشغيل Qiskit ، وهي بيئة التنفيذ التي تعمل على أنظمة IBM الكمومية. تُنفّذ بيئة تشغيل Qiskit الدوائر الكمومية (أو البرامج الأولية ذات المستوى الأعلى) بالقرب من الأجهزة الكمومية، مما يقلل زمن الاستجابة ويتيح سير عمل أكثر تعقيدًا من طريقة الطلب والاستجابة التقليدية لإرسال المهام. صُممت بيئة التنفيذ هذه لجعل تنفيذ البرامج الكمومية أكثر كفاءة وقابلية للتوسع، لا سيما بالنسبة للخوارزميات التي تتضمن تقييمات متكررة للدوائر أو عمليات تكرارية.

تستفيد بيئة تشغيل Qiskit من موارد الحوسبة الكلاسيكية والكمومية الإضافية لدمج استراتيجيات تخفيف الأخطاء التي تزيد من جودة ودقة النتائج المُستقاة من المعالجات الكمومية. على سبيل المثال، يمكنها تطبيق تقنيات تلقائيًا مثل الفصل الديناميكي (لكبح التشويش أثناء تنفيذ الدوائر)، واستقراء الضوضاء الصفرية، وغيرها من أشكال تخفيف أخطاء القراءة (لتقليل تأثير أخطاء القياس)، بهدف الحصول على نتائج عالية الجودة من الأجهزة الكمومية التي تعاني من التشويش.

تدعم خدمة الحوسبة الكمومية من IBM أنماط تنفيذ متعددة لتشغيل مهام الحوسبة الكمومية، كل منها مناسب لحالات استخدام مختلفة. يمكن للمستخدمين تنفيذ مهمة واحدة (دائرة أو استدعاء أولي لمرة واحدة بعدد محدد من المحاولات)، أو إنشاء جلسة لتشغيل سلسلة من المهام بشكل تفاعلي مع تقليل الحمل الزائد بينها، أو إرسال المهام في وضع الدُفعات للتنفيذ المتوازي في قائمة الانتظار. توفر هذه الأنماط مرونة في إدارة التجارب. على سبيل المثال، يُمكّن وضع الجلسة الخوارزميات التكرارية التي تتكيف بناءً على النتائج الوسيطة، بينما يُعد وضع الدُفعات مفيدًا لتشغيل العديد من الدوائر المستقلة في وقت واحد.

Qiskit Serverless هو امتداد لنظام Qiskit البيئي، يُمكّن من تشغيل أحمال العمل الكمومية والكلاسيكية بطريقة موزعة وسحابية . يوفر واجهة بسيطة لإدارة موارد الحوسبة وتنفيذ أجزاء من سير العمل الكمومي على خوادم بعيدة، مما يسمح للمستخدمين بنشر البرامج الكمومية وخطوات المعالجة الكلاسيكية المصاحبة لها على سحابة IBM Quantum أو حتى عبر بيئات سحابية متعددة. يهدف Qiskit Serverless إلى تسهيل تطبيقات الكم على نطاق واسع من خلال إدارة تخصيص وحدات المعالجة الكمومية وموارد الحوسبة الكلاسيكية حسب الحاجة، وهو أمر مفيد بشكل خاص للخوارزميات الهجينة والتجارب واسعة النطاق. يمكن استخدام Qiskit Serverless في:

• يمكن موازاة المهام التقليدية التي تُعد جزءًا من سير العمل الكمومي، مثل المعالجة المسبقة لبيانات الإدخال أو المعالجة اللاحقة للنتائج الكمومية. ومن خلال توزيع هذه الحسابات التقليدية على موارد الحوسبة السحابية، يستطيع المستخدمون تسريع التنفيذ الإجمالي عند العمل مع العديد من الدوائر أو مجموعات البيانات الضخمة بالتزامن مع الأجهزة الكمومية.
• يُتيح نظام الحوسبة السحابية استمرار تنفيذ العمليات طويلة الأمد وجمع النتائج حتى في حال انقطاع اتصال جهاز المستخدم (مثل جهاز كمبيوتر محمول) بالإنترنت. وهذا يعني أن الباحث يستطيع بدء تجربة كمومية معقدة دون الحاجة إلى القلق بشأن الحفاظ على اتصال دائم؛ إذ سيتولى النظام اللامركزي تنفيذ العملية والاحتفاظ بالنتائج إلى حين استلامها من قِبل المستخدم.
• انشر برامج قابلة لإعادة الاستخدام (تطبيقات كمومية أو إجراءات خوارزمية) على منصة IBM Quantum لتشغيلها عند الحاجة. هذا يحوّل الخوارزميات الكمومية المخصصة إلى خدمات، مما يتيح التعاون وإعادة الاستخدام: على سبيل المثال، يمكن تحميل خوارزمية تحسين أو إجراء محاكاة كيميائية مرة واحدة ثم تنفيذها بشكل متكرر بمعلمات مختلفة عند الطلب.

من خلال تجريد تفاصيل إدارة موارد الحوسبة السحابية، يهدف Qiskit Serverless إلى تسهيل توسيع نطاق التجارب الكمومية ودمجها في سير عمل الحوسبة الأكبر.

إضافات Qiskit (أو Qiskit addons) هي أدوات معيارية تُثبّت بشكل منفصل، مصممة لتوسيع إمكانيات Qiskit في تطوير خوارزميات الحوسبة الكمومية. تعتمد هذه الإضافات على إطار عمل Qiskit الأساسي، ويمكن دمجها في سير عمل المستخدم للمساعدة في توسيع نطاق الخوارزميات أو تصميم خوارزميات جديدة. تُوزّع كل إضافة كحزمة بايثون مستقلة (على سبيل المثال، qiskit-addon-sqd لأداة SQD) يمكن تثبيتها عبر فهرس حزم بايثون (PyPI)، ثم استخدامها جنبًا إلى جنب مع حزمة تطوير البرامج (SDK) الخاصة بـ Qiskit. تُحسّن هذه الإضافات الرسمية مهامًا مثل رسم خرائط الدوائر، والتحسين، ومعالجة النتائج اللاحقة، مع التكامل السلس مع وظائف Qiskit.

• التجميع الكمي التقريبي (AQC) – qiskit-addon-aqc-tensor . يستخدم AQC أساليب شبكة الموترات لضغط جزء من دائرة كمومية إلى دائرة مكافئة أقصر بدقة عالية.
• صيغ المنتجات المتعددة (MPF) - qiskit-addon-mpf . تعمل صيغ المنتجات المتعددة على تقليل خطأ تروتر في عمليات محاكاة هاميلتونيان من خلال الجمع بين نتائج عمليات تنفيذ الدوائر المتعددة في صيغة موزونة.
• نشر العمليات العكسي (OBP) - qiskit-addon-obp . تعمل تقنية OBP على تقصير عمق الدائرة عن طريق حذف المجموعة الأخيرة من عمليات البوابة والتعويض من خلال قياسات إضافية على الدائرة المتبقية.
• القطرنة الكمومية القائمة على العينات (SQD) - qiskit-addon-sqd . SQD هي أداة معالجة لاحقة تقوم بتحليل عينات سلاسل البتات من عمليات تشغيل الدوائر الكمومية بشكل كلاسيكي لتقدير القيم الذاتية والمتجهات الذاتية للمؤثرات الكبيرة (مثل الهاميلتونيان الجزيئي ) بدقة أكبر في ظل وجود الضوضاء.

تُدار كل إضافة من هذه الإضافات كمصدر مفتوح ضمن مؤسسة Qiskit على منصة GitHub ، مع توفير الوثائق والدروس التعليمية من قِبل IBM Quantum. يتيح هذا النهج المعياري للباحثين اختيار التقنيات الخوارزمية المتقدمة حسب الحاجة، مع الحفاظ على خفة وزن Qiskit الأساسية، وفي الوقت نفسه تمكين الميزات المتطورة من خلال الإضافات.

يشير نظام Qiskit البيئي إلى مجموعة أوسع من المشاريع مفتوحة المصدر التي تتفاعل مع Qiskit دون أن تكون جزءًا من حزمة تطوير البرامج الأساسية (SDK). توفر هذه المشاريع، التي طورتها IBM Quantum أو المجتمع الأوسع، وظائف إضافية وأدوات متخصصة تُكمّل إطار عمل Qiskit. من خلال تصميم Qiskit ببنية معيارية وقابلة للتوسيع، مكّنت IBM الحزم الخارجية من التكامل بسهولة وتوسيع قدراته في مجالات مثل المحاكاة وإدارة المهام وتخفيف الأخطاء. يُحسّن هذا النظام البيئي سهولة استخدام Qiskit من خلال معالجة المهام التي تتجاوز نطاق المكتبة الأساسية، مما يسمح للمستخدمين بتخصيص سير عمل الحوسبة الكمومية الخاصة بهم باستخدام حلول مُطوّرة من قِبل المجتمع. تتضمن بعض المشاريع البارزة في نظام Qiskit البيئي ما يلي:

• Qiskit Aer (qiskit-aer) – محاكي عالي الأداء للدوائر الكمومية، يتميز بواجهات خلفية متعددة للمحاكاة ودعم نماذج الضوضاء الواقعية. تتولى شركة IBM Quantum صيانته باعتباره محرك المحاكاة الرسمي لـ Qiskit، ويُستخدم بشكل متكرر للتحقق من صحة الخوارزميات قبل تشغيلها على معالجات كمومية فعلية.
• qBraid SDK (qbraid) – إطار عمل مستقل عن المنصات لإدارة بيئة تشغيل الحوسبة الكمومية والسحابة، يعمل على تبسيط دورة حياة مهام الحوسبة الكمومية بالكامل. تم تطوير هذه الأداة وصيانتها من قبل شركة qBraid ، وهي تُبسط الكثير من التعقيدات في إدارة أحمال عمل الحوسبة الكمومية عبر مختلف مزودي الخدمات، وتُكمل أدوات تطوير Qiskit بإمكانيات النشر السحابي.
• mthree (mthree) – مكتبة لتخفيف أخطاء القياس بدون مصفوفات (M3) تُحسّن دقة نتائج قياس الكيوبت على الأجهزة الحقيقية. تعالج هذه الحزمة، التي طورتها IBM Quantum، أخطاء القراءة من خلال بناء نموذج مُصغّر للضوضاء في عملية القياس، ثم حساب احتمالات النتائج المُصحّحة دون الحاجة إلى عكس مصفوفات المعايرة الكبيرة.

من خلال مشاريع النظام البيئي هذه، يُمكن لمستخدمي Qiskit الوصول إلى وظائف إضافية غير مُضمنة في حزمة تطوير البرامج الأساسية (SDK)، مما يُعزز البحث وتطوير التطبيقات. على سبيل المثال، يُتيح Aer إجراء اختبارات شاملة للخوارزميات في بيئة محاكاة، ويُسهّل qBraid تشغيل برامج Qiskit على مختلف أجهزة الحوسبة السحابية، ويُساعد mthree في الحصول على بيانات تجريبية أكثر دقة. يتوفر فهرس شامل لمشاريع نظام Qiskit البيئي على صفحة نظام Qiskit البيئي، حيث يُمكن للمستخدمين اكتشاف أدوات ومكتبات أخرى (وحتى المساهمة بأدواتهم الخاصة) التي تعمل بالتكامل مع Qiskit. تُساهم جميع هذه الجهود في النظام البيئي في توفير مجموعة أدوات حوسبة كمومية أكثر تنوعًا وقوة، تتمحور حول Qiskit.