The presentation (in Croatian) about quantum computers that I gave at meetup „IT Community User Grupa Križevci“ on November 17th 2023 in Križevci, Croatia. Presentation's title = (Croatian) "Kvantna računala - pogled ispod haube" = (English) "Quantum Computers – a Look Under the Hood"

1. Kvantna računala
pogled ispod haube
Marko Lohert
17. 11. 2023.
Križevci, Croatia

2. Agenda
Zašto kvantna računala?
Princip rada
Primjena
Kvantni hardver
Programiranje kvantnih računala

3. Zašto
kvantna računala?

4. Od kuda ideja za
kvantna računala?
• Krenulo je od problema koji klasična
računala ne mogu riješiti
• … i neće ga moći riješiti još
desetljećima unatoč rastu performansi
(Mooreov zakon)

5. Početni problem
• Znanstvene simulacije molekula/kvantnih sustava moraju uzeti
u obzir kvantnu mehaniku
• Interakcije čestica na kvantnoj razini su izuzetno kompleksne
• Klasična računala su prespora
• Uz sav napredak klasična računala neće postati dovoljno brza

6. Rješenje = kvantna računala
• Da bi riješili problem koje nam zadaje kvantna mehanika idemo
upotrijebimo kvantnu mehaniku kao temelj nove vrste računala
Napravimo kvantno računalo
• Ideja za kvantna računala: Richard Feynman i Yuri Manin
početkom 1980-tih

7. Kvantno računalo
• Koristi kvantnu mehaniku
• Eksponencijalno brže od klasičnih
računala
• QPU == Quantum Processing
Unit

8. Da li će kvantno računalo zamijeniti klasično?
• Kvantno računalo neće zamijeniti klasično računalo
• Npr. email će se i dalje čitati na klasičnom računalu
• Koristimo pravi alata za određeni posao
• Suradnja kvantnog i klasičnog računala (hibridni pristup)

9. Cloud
• Problem: Cijena kvantnih računala <-> koliko ih se dugo koristi
unutar pojedinog dana
• Rješenje: Kvantna računala su smještena u cloud
• Već neko vrijeme proizvođači kvantnih računala nude pristup u
cloudu
• Npr: Microsoft Azure Quantum, IBM Quantum, …

10. Qubit
• Mjerna jedinica kvantne informacije
• Više od 2 moguća stanja (kvantna superpozicija)

11. Qubit
• Svaki qubit koji dodamo udvostručuje moć kvantnog računala
• Koliko kubita imaju današnja kvantna računala?
• 5000 qubita, ali s ograničenim mogućnostima – proizvođač: D - Wave
• 1180 qubita - Atom Computing kvantno računalo (vijest od 24.10.2023.)
• 433 qubita : IBM-ovo kvantno računalo Osprey (studeni 2022.)
• Za primjenu u velikim zadacima potrebno je računalo s milijun
qubita (kvantno računalo na industrijskoj skali)

12. Princip rada
kvantih računala

13. Kvantna superpozicija
Klasično računalo Kvantno računalo
Ili 0 ili 1 Superpozicija 0 i 1
1
0

14. Kvantno sprezanje (Quantum Entanglement)

15. Kvantno sprezanje (Quantum Entanglement)

16. Kvantna interferencija
• Princip sličan interferenciji valova u klasičnoj fizici
• Poveća se vjerojatnost ispravnog rješenje koje tražimo
• Smanjuje se vjerojatnost netočnog rješenja

17. Primjena
kvantnih
računala

18. Znanstvena istraživanja
Photo by Kindel Media

19. Znanstvena istraživanja
• Kemija
• Prvo područje primjene kvantnih računala
• Medicina / farmacija
• Fizika
• Istraživanja novih materijala

20. Ekologija

21. Umjetna inteligencija

22. Kriptografija

23. Kriptografija
• RSA nije prepreka za kvantna računala
• RSA se temelji na pronalaženju prim faktora velikih (cijelih) brojeva
• Shorov algoritam za kvantna računala
• Postkvantni algoritmi u kriptografiji
• Već se razvijaju

24. Nacionalne strategije za kvanta računala
• Neke države već imaju nacionalnu strategiju za
kvanta računala
• Australija
• https://www.industry.gov.au/publications/national-
quantum-strategy
• Kanada
• https://ised-isde.canada.ca/site/national-quantum-
strategy/en/canadas-national-quantum-strategy

25. Kvantni
hardver

26. Proizvođači kvantnih računala
• Suradnja sa sveučilištima
• Iz akademske u industrijsku primjenu kvantnih računala

27. D-Wave

28. D-Wave
• D-Wave System kvantna računala
• https://www.dwavesys.com
• Cloud: Leap™
• https://www.dwavesys.com/solutions-and-products/cloud-platform

29. IBM

30. IBM
• IBM kvantna računala:
• https://www.ibm.com/quantum
• IBM Quantum Platform:
• https://quantum-computing.ibm.com
• IBM Quantum Composer:
• https://quantum-computing.ibm.com/composer
• Cijena:
• Open Plan Free: 10 minuta mjesečno
• Pay-As-You-Go: $1.60 USD / sekunda
• Premium

31. Google

32. Google
• Na slici: Sycamore kvantni procesor s 53 qubita (koristi
supravodljivost)
• Google kvantna računala:
• https://quantumai.google
• Cloud simulacija:
• https://cloud.google.com/architecture/quantum-simulation-on-google-
cloud-with-cirq-qsim

33. Microsoft

34. Microsoft
• Microsoft kvantna računala:
• https://quantum.microsoft.com
• Cloud: Azure Quantum
• https://azure.microsoft.com/en-us/solutions/quantum-computing
• Topological qubit
• Full stack pristup
• Cijena:
• Prijavom na Azure Quantum cloud: $ 500 po provider-u (IonQ,
Quantinuum) za učenje/eksperimentiranje
• Pay as You Go: prema korištenju
• Subscription: $ 25,000.00 USD mjesečno

35. Proizvođači kvantnih računala
• Alibaba (Aliyun + CAS)
• AQT (Alpine Quantum Technologies)
• Atom Computing
• D-Wave
• Google
• IBM
• Intel
• IonQ
• Microsoft
• IQM
• OCQ (Oxford Quantum Circuits)
• PASQAL
• Quantinuum (Honeywell + CQC)
• Quantum Brilliance
• QuEra
• Rigetti
• Xanadu
• itd …

36. Hardver
• Dijelovi kvantnog sustava
• Klasično računalo
• Temperatura: 300 K
• Cryogenic computer
• Temperatura: 3 K
• Kvantno računalo
• Temperatura: 0.015 K

37. Programiranje
kvantih
računala

38. Softver
• Klasični program
• Priprema podataka
• Slanje podataka u QPU
• Prikaz podataka korisniku
• C#, Python
• Kvantni program
• Kvantni algoritam
• Q#, IBM Qiskit …

39. Programiranje kvantnog računala
• Kvantno računalo –> koprocesor
Classical computer
C#, Python
CPU
GPU

40. Pristupi programiranju kvantnog računala
Grafičko programiranje
kvantnih krugova Tekstualno programiranje

41. Q#
• Microsoftov jezik za kvantna računala
• Sličan F#, C#
• Podrška u Visual Studio i Visual Studio Code (debugiranje
programa pokrenutog u simulatoru)

42. Microsoft Quantum Development Kit (QDK)
• QDK sadrži
• Q# kompajler
• Library
• Simulatore
• …
• Podržani Visual Studio IDE i Visual Studio Code
• Više operativnih sustava:

43. Microsoft Quantum Development Kit (QDK)
• Orginalna prva verzija QDK
• Microsoft Quantum Development Kit (Classic QDK)
• Nova verzija
• Azure Quantum Development Kit Preview (Modern QDK)
• Preview dostupan
• Nije 100% kompatibilan sa starijom verzijom (Classic QDK)

44. Demo

45. Ključne poruke
• Kvantna računala
• Eksponencijalno brža od klasičnih računala
• Kvantno računalo kao koprocesor
• Kvantno računalo u cloudu (IBM, Microsoft …)
• Programiranje kvantnih računala
• klasični potprogram + kvantni potprogram
• Kombinacija jezika (npr. C# + Q#)

46. Q&A

47. Hvala!
@MarkoLohert
lohert.marko@gmail.com