::::::::Quantum Mixed Reality เพื่อการสังเคราะโมเลกุลน้ำด้วยเทคโนโลยี Qiskit ::::::::
โดยยุนอา เอี่ยมสุวรรณ
บทที่ 1: บทนำ
1.1 ความเป็นมาและความสำคัญของการศึกษา
Quantum Computing กำลังเป็นเทคโนโลยีที่ได้รับความสนใจอย่างมาก เนื่องจากสามารถแก้ปัญหาที่ไม่สามารถแก้ได้ด้วยคอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิม โดยเฉพาะการคำนวณทางเคมี ซึ่งการใช้ Qiskit ซึ่งเป็นเครื่องมือสำหรับการคำนวณควอนตัมที่พัฒนาโดย IBM เป็นที่นิยมในการศึกษาและวิจัย นอกจากนี้ Mixed Reality (MR) เป็นเทคโนโลยีที่ผสมผสานความเป็นจริงเสมือน (Virtual Reality) และความเป็นจริงเสริม (Augmented Reality) ซึ่งสามารถสร้างประสบการณ์การแสดงผลที่เป็นธรรมชาติมากขึ้น Vision Pro เป็นหนึ่งในอุปกรณ์ที่สามารถใช้ MR ในการแสดงผลโมเลกุลน้ำได้อย่างมีประสิทธิภาพ
1.2 วัตถุประสงค์ของการศึกษา
1. เพื่อสร้างโมเดลโมเลกุลน้ำโดยใช้ Qiskit
2. เพื่อแสดงผลโมเดลโมเลกุลน้ำใน Mixed Reality ผ่าน Vision Pro
3. เพื่อวิเคราะห์และเปรียบเทียบผลการสร้างโมเดลและการแสดงผล
1.3 ขอบเขตของการศึกษา
การศึกษาในวิทยานิพนธ์นี้จะครอบคลุมถึงการใช้ Qiskit สำหรับการสร้างโมเลกุลน้ำและการใช้ Vision Pro ในการแสดงผลโดยเน้นที่ความถูกต้องและประสิทธิภาพของผลการทดลอง
1.4 นิยามศัพท์เฉพาะ
- Quantum Computing : การคำนวณที่ใช้หลักการของฟิสิกส์ควอนตัม
- Qiskit : เฟรมเวิร์กสำหรับการเขียนโปรแกรมควอนตัม
- Mixed Reality (MR) : การผสมผสานระหว่างความเป็นจริงเสมือนและความเป็นจริงเสริม
- Vision Pro : อุปกรณ์ Mixed Reality ที่พัฒนาโดย Apple
บทที่ 2: ทฤษฎีพื้นฐาน
2.1 พื้นฐานของ Quantum Computing
Quantum Computing ใช้หลักการทางฟิสิกส์ควอนตัมเพื่อประมวลผลข้อมูลต่างจากคอมพิวเตอร์ดั้งเดิมที่ใช้บิตควอนตัม (Qubits) ซึ่งสามารถอยู่ในสถานะซูเปอร์โพซิชันและเอนแทงเกิลเมนต์ได้
2.2 การประยุกต์ใช้ Qiskit ในการคำนวณควอนตัม
Qiskit เป็นโอเพนซอร์สเฟรมเวิร์กสำหรับการพัฒนาโปรแกรมควอนตัม โดยมีโมดูลหลักๆ เช่น Terra, Aer, Ignis, และ Aqua ที่ช่วยในการสร้างและจำลองวงจรควอนตัม
2.3 เทคโนโลยี Mixed Reality
Mixed Reality (MR) เป็นการรวมระหว่างโลกเสมือนและโลกจริง ทำให้ผู้ใช้สามารถโต้ตอบกับวัตถุเสมือนในสภาพแวดล้อมจริงได้ เทคโนโลยีนี้ใช้ทั้งการแสดงผลแบบ Holographic และ Immersive
2.4 การใช้งาน Vision Pro
Vision Pro เป็นอุปกรณ์ MR ที่สามารถแสดงผลในรูปแบบ 3 มิติและสามารถโต้ตอบกับผู้ใช้ผ่านการควบคุมด้วยมือและเสียง
บทที่ 3: วรรณกรรมที่เกี่ยวข้อง
3.1 การศึกษาที่เกี่ยวข้องกับ Quantum Computing
การศึกษาเกี่ยวกับ Quantum Computing มุ่งเน้นที่การพัฒนาวิธีการใหม่ๆ ในการคำนวณและการประยุกต์ใช้ในด้านต่างๆ เช่น เคมี ฟิสิกส์ และการเข้ารหัสข้อมูล
3.2 การประยุกต์ใช้ Qiskit
Qiskit ได้รับการใช้งานอย่างแพร่หลายในด้านการศึกษาและการวิจัย โดยมีการใช้ในหลายโครงการที่เกี่ยวข้องกับการจำลองควอนตัมและการพัฒนาอัลกอริธึมควอนตัม
3.3 การใช้ Mixed Reality ในการแสดงผลทางวิทยาศาสตร์
Mixed Reality มีการใช้งานในหลายด้าน เช่น การศึกษา การแพทย์ และการแสดงผลทางวิทยาศาสตร์ การใช้ MR ช่วยให้ผู้ใช้สามารถเข้าใจข้อมูลที่ซับซ้อนได้ง่ายขึ้น
3.4 งานวิจัยที่เกี่ยวข้องกับการสร้างโมเลกุลน้ำ
การสร้างโมเลกุลน้ำด้วยการคำนวณควอนตัมมีการศึกษามานาน ซึ่งใช้วิธีการต่างๆ เช่น การจำลองด้วย Qiskit เพื่อสร้างโมเดลที่แม่นยำและมีประสิทธิภาพ
บทที่ 4: วิธีการและกระบวนการวิจัย
4.1 ออกแบบการทดลอง
การทดลองจะเริ่มด้วยการสร้างโมเดลโมเลกุลน้ำใน Qiskit จากนั้นจะนำผลลัพธ์ที่ได้มาแสดงผลใน Mixed Reality โดยใช้ Vision Pro เพื่อวิเคราะห์และเปรียบเทียบผลการแสดงผล
4.2 การสร้างโมเดลโมเลกุลน้ำใน Qiskit
การสร้างโมเดลโมเลกุลน้ำจะใช้ Qiskit Aqua ซึ่งเป็นโมดูลที่ช่วยในการคำนวณควอนตัมในด้านเคมี โดยจะใช้วิธีการคำนวณ Hamiltonian และการจำลองวงจรควอนตัม
4.3 การใช้งาน Mixed Reality เพื่อการแสดงผล
การแสดงผลโมเลกุลน้ำใน Mixed Reality จะใช้ Vision Pro โดยสร้างแอปพลิเคชันที่สามารถแสดงผลโมเดลในรูปแบบ 3 มิติและสามารถโต้ตอบกับผู้ใช้ได้
4.4 การเก็บข้อมูลและการวิเคราะห์ข้อมูล
การเก็บข้อมูลจะเน้นที่ความถูกต้องของโมเดลโมเลกุลและประสิทธิภาพของการแสดงผลใน Mixed Reality โดยจะทำการทดสอบ
บทที่ 5 ชุดข้อมูล
การสร้างโมเลกุลน้ำ (H₂O) โดยใช้ Qiskit ต้องใช้ Qiskit Aqua ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของ Qiskit ที่เน้นการใช้งานในด้านเคมีควอนตัม ต่อไปนี้คือตัวอย่างโค้ดที่ใช้ในการสร้างโมเลกุลน้ำ
โค้ด Python สำหรับสร้างโมเลกุลน้ำ
import numpy as np
from qiskit import Aer, BasicAer
from qiskit.utils import QuantumInstance
from qiskit.algorithms import VQE
from qiskit.algorithms.optimizers import SLSQP
from qiskit.circuit.library import TwoLocal
from qiskit_nature.drivers import PySCFDriver
from qiskit_nature.drivers import UnitsType
from qiskit_nature.transformers import FreezeCoreTransformer
from qiskit_nature.converters import QubitConverter
from qiskit_nature.mappers import ParityMapper
from qiskit_nature.problems.second_quantization import ElectronicStructureProblem
from qiskit_nature.algorithms import GroundStateEigensolver
from qiskit_nature.algorithms.ground_state_solvers import VQEUCCSDFactory
from qiskit_nature.results import EigenstateResult
# Define the molecular structure of water (H2O)
driver = PySCFDriver(atom='H 0 0 0; H 0 0 0.74; O 0 0 1.44',
unit=UnitsType.ANGSTROM,
basis='sto3g')
# Create a QMolecule object
molecule = driver.run()
# Apply a transformer to the molecule
transformer = FreezeCoreTransformer(freeze_core=True)
molecule = transformer.transform(molecule)
# Define the qubit converter
qubit_converter = QubitConverter(mapper=ParityMapper(), two_qubit_reduction=True)
# Define the electronic structure problem
problem = ElectronicStructureProblem(driver, transformers=[transformer])
# Setup the quantum instance
quantum_instance = QuantumInstance(backend=BasicAer.get_backend('statevector_simulator'))
# Define the VQE algorithm
vqe_solver = VQEUCCSDFactory(quantum_instance)
# Create the ground state eigensolver
calc = GroundStateEigensolver(qubit_converter, vqe_solver)
# Solve the problem
result = calc.solve(problem)
# Display the results
print(result)
```
อธิบายโค้ด
1. การนำเข้าโมดูลและไลบรารีที่จำเป็น: โค้ดนี้ใช้ Qiskit และ Qiskit Nature สำหรับการจำลองเคมีควอนตัม
2. กำหนดโครงสร้างโมเลกุลน้ำ (H₂O): ใช้ `PySCFDriver` เพื่อกำหนดโครงสร้างของโมเลกุลน้ำในหน่วยแองสตรอมและฐานข้อมูล `sto3g`
3. สร้างวัตถุ QMolecule: ใช้ `driver.run()` เพื่อสร้างวัตถุ QMolecule
4. ใช้ตัวแปลง: ใช้ `FreezeCoreTransformer` เพื่อแปลงข้อมูลโมเลกุลและกำจัดอิเล็กตรอนที่ไม่จำเป็น
5. กำหนดตัวแปลงควอนตัม: ใช้ `QubitConverter` และ `ParityMapper` เพื่อกำหนดตัวแปลงควอนตัม
6. กำหนดปัญหาโครงสร้างอิเล็กตรอน: ใช้ `ElectronicStructureProblem` เพื่อกำหนดปัญหาการคำนวณโครงสร้างอิเล็กตรอน
7. ตั้งค่าตัวประมวลผลควอนตัม: ใช้ `QuantumInstance` เพื่อกำหนด backend สำหรับการจำลองควอนตัม
8. กำหนดอัลกอริธึม VQE: ใช้ `VQEUCCSDFactory` เพื่อสร้างตัวแก้ปัญหา VQE (Variational Quantum Eigensolver)
9. สร้างตัวแก้ปัญหาสถานะพื้น: ใช้ `GroundStateEigensolver` เพื่อสร้างตัวแก้ปัญหาสถานะพื้น
10. แก้ปัญหา: ใช้ `calc.solve(problem)` เพื่อแก้ปัญหาและหาพลังงานของโมเลกุลน้ำ
11. แสดงผลลัพธ์: แสดงผลลัพธ์ของการคำนวณ
ด้วยโค้ดนี้ คุณสามารถสร้างโมเลกุลน้ำและคำนวณพลังงานพื้นฐานของมันโดยใช้ Qiskit ได้
::::::::Quantum Mixed Reality เพื่อการสังเคราะโมเลกุลน้ำด้วยเทคโนโลยี Qiskit ::::::::
โดยยุนอา เอี่ยมสุวรรณ
บทที่ 1: บทนำ
1.1 ความเป็นมาและความสำคัญของการศึกษา
Quantum Computing กำลังเป็นเทคโนโลยีที่ได้รับความสนใจอย่างมาก เนื่องจากสามารถแก้ปัญหาที่ไม่สามารถแก้ได้ด้วยคอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิม โดยเฉพาะการคำนวณทางเคมี ซึ่งการใช้ Qiskit ซึ่งเป็นเครื่องมือสำหรับการคำนวณควอนตัมที่พัฒนาโดย IBM เป็นที่นิยมในการศึกษาและวิจัย นอกจากนี้ Mixed Reality (MR) เป็นเทคโนโลยีที่ผสมผสานความเป็นจริงเสมือน (Virtual Reality) และความเป็นจริงเสริม (Augmented Reality) ซึ่งสามารถสร้างประสบการณ์การแสดงผลที่เป็นธรรมชาติมากขึ้น Vision Pro เป็นหนึ่งในอุปกรณ์ที่สามารถใช้ MR ในการแสดงผลโมเลกุลน้ำได้อย่างมีประสิทธิภาพ
1.2 วัตถุประสงค์ของการศึกษา
1. เพื่อสร้างโมเดลโมเลกุลน้ำโดยใช้ Qiskit
2. เพื่อแสดงผลโมเดลโมเลกุลน้ำใน Mixed Reality ผ่าน Vision Pro
3. เพื่อวิเคราะห์และเปรียบเทียบผลการสร้างโมเดลและการแสดงผล
1.3 ขอบเขตของการศึกษา
การศึกษาในวิทยานิพนธ์นี้จะครอบคลุมถึงการใช้ Qiskit สำหรับการสร้างโมเลกุลน้ำและการใช้ Vision Pro ในการแสดงผลโดยเน้นที่ความถูกต้องและประสิทธิภาพของผลการทดลอง
1.4 นิยามศัพท์เฉพาะ
- Quantum Computing : การคำนวณที่ใช้หลักการของฟิสิกส์ควอนตัม
- Qiskit : เฟรมเวิร์กสำหรับการเขียนโปรแกรมควอนตัม
- Mixed Reality (MR) : การผสมผสานระหว่างความเป็นจริงเสมือนและความเป็นจริงเสริม
- Vision Pro : อุปกรณ์ Mixed Reality ที่พัฒนาโดย Apple
บทที่ 2: ทฤษฎีพื้นฐาน
2.1 พื้นฐานของ Quantum Computing
Quantum Computing ใช้หลักการทางฟิสิกส์ควอนตัมเพื่อประมวลผลข้อมูลต่างจากคอมพิวเตอร์ดั้งเดิมที่ใช้บิตควอนตัม (Qubits) ซึ่งสามารถอยู่ในสถานะซูเปอร์โพซิชันและเอนแทงเกิลเมนต์ได้
2.2 การประยุกต์ใช้ Qiskit ในการคำนวณควอนตัม
Qiskit เป็นโอเพนซอร์สเฟรมเวิร์กสำหรับการพัฒนาโปรแกรมควอนตัม โดยมีโมดูลหลักๆ เช่น Terra, Aer, Ignis, และ Aqua ที่ช่วยในการสร้างและจำลองวงจรควอนตัม
2.3 เทคโนโลยี Mixed Reality
Mixed Reality (MR) เป็นการรวมระหว่างโลกเสมือนและโลกจริง ทำให้ผู้ใช้สามารถโต้ตอบกับวัตถุเสมือนในสภาพแวดล้อมจริงได้ เทคโนโลยีนี้ใช้ทั้งการแสดงผลแบบ Holographic และ Immersive
2.4 การใช้งาน Vision Pro
Vision Pro เป็นอุปกรณ์ MR ที่สามารถแสดงผลในรูปแบบ 3 มิติและสามารถโต้ตอบกับผู้ใช้ผ่านการควบคุมด้วยมือและเสียง
บทที่ 3: วรรณกรรมที่เกี่ยวข้อง
3.1 การศึกษาที่เกี่ยวข้องกับ Quantum Computing
การศึกษาเกี่ยวกับ Quantum Computing มุ่งเน้นที่การพัฒนาวิธีการใหม่ๆ ในการคำนวณและการประยุกต์ใช้ในด้านต่างๆ เช่น เคมี ฟิสิกส์ และการเข้ารหัสข้อมูล
3.2 การประยุกต์ใช้ Qiskit
Qiskit ได้รับการใช้งานอย่างแพร่หลายในด้านการศึกษาและการวิจัย โดยมีการใช้ในหลายโครงการที่เกี่ยวข้องกับการจำลองควอนตัมและการพัฒนาอัลกอริธึมควอนตัม
3.3 การใช้ Mixed Reality ในการแสดงผลทางวิทยาศาสตร์
Mixed Reality มีการใช้งานในหลายด้าน เช่น การศึกษา การแพทย์ และการแสดงผลทางวิทยาศาสตร์ การใช้ MR ช่วยให้ผู้ใช้สามารถเข้าใจข้อมูลที่ซับซ้อนได้ง่ายขึ้น
3.4 งานวิจัยที่เกี่ยวข้องกับการสร้างโมเลกุลน้ำ
การสร้างโมเลกุลน้ำด้วยการคำนวณควอนตัมมีการศึกษามานาน ซึ่งใช้วิธีการต่างๆ เช่น การจำลองด้วย Qiskit เพื่อสร้างโมเดลที่แม่นยำและมีประสิทธิภาพ
บทที่ 4: วิธีการและกระบวนการวิจัย
4.1 ออกแบบการทดลอง
การทดลองจะเริ่มด้วยการสร้างโมเดลโมเลกุลน้ำใน Qiskit จากนั้นจะนำผลลัพธ์ที่ได้มาแสดงผลใน Mixed Reality โดยใช้ Vision Pro เพื่อวิเคราะห์และเปรียบเทียบผลการแสดงผล
4.2 การสร้างโมเดลโมเลกุลน้ำใน Qiskit
การสร้างโมเดลโมเลกุลน้ำจะใช้ Qiskit Aqua ซึ่งเป็นโมดูลที่ช่วยในการคำนวณควอนตัมในด้านเคมี โดยจะใช้วิธีการคำนวณ Hamiltonian และการจำลองวงจรควอนตัม
4.3 การใช้งาน Mixed Reality เพื่อการแสดงผล
การแสดงผลโมเลกุลน้ำใน Mixed Reality จะใช้ Vision Pro โดยสร้างแอปพลิเคชันที่สามารถแสดงผลโมเดลในรูปแบบ 3 มิติและสามารถโต้ตอบกับผู้ใช้ได้
4.4 การเก็บข้อมูลและการวิเคราะห์ข้อมูล
การเก็บข้อมูลจะเน้นที่ความถูกต้องของโมเดลโมเลกุลและประสิทธิภาพของการแสดงผลใน Mixed Reality โดยจะทำการทดสอบ
บทที่ 5 ชุดข้อมูล
การสร้างโมเลกุลน้ำ (H₂O) โดยใช้ Qiskit ต้องใช้ Qiskit Aqua ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของ Qiskit ที่เน้นการใช้งานในด้านเคมีควอนตัม ต่อไปนี้คือตัวอย่างโค้ดที่ใช้ในการสร้างโมเลกุลน้ำ
โค้ด Python สำหรับสร้างโมเลกุลน้ำ
import numpy as np
from qiskit import Aer, BasicAer
from qiskit.utils import QuantumInstance
from qiskit.algorithms import VQE
from qiskit.algorithms.optimizers import SLSQP
from qiskit.circuit.library import TwoLocal
from qiskit_nature.drivers import PySCFDriver
from qiskit_nature.drivers import UnitsType
from qiskit_nature.transformers import FreezeCoreTransformer
from qiskit_nature.converters import QubitConverter
from qiskit_nature.mappers import ParityMapper
from qiskit_nature.problems.second_quantization import ElectronicStructureProblem
from qiskit_nature.algorithms import GroundStateEigensolver
from qiskit_nature.algorithms.ground_state_solvers import VQEUCCSDFactory
from qiskit_nature.results import EigenstateResult
# Define the molecular structure of water (H2O)
driver = PySCFDriver(atom='H 0 0 0; H 0 0 0.74; O 0 0 1.44',
unit=UnitsType.ANGSTROM,
basis='sto3g')
# Create a QMolecule object
molecule = driver.run()
# Apply a transformer to the molecule
transformer = FreezeCoreTransformer(freeze_core=True)
molecule = transformer.transform(molecule)
# Define the qubit converter
qubit_converter = QubitConverter(mapper=ParityMapper(), two_qubit_reduction=True)
# Define the electronic structure problem
problem = ElectronicStructureProblem(driver, transformers=[transformer])
# Setup the quantum instance
quantum_instance = QuantumInstance(backend=BasicAer.get_backend('statevector_simulator'))
# Define the VQE algorithm
vqe_solver = VQEUCCSDFactory(quantum_instance)
# Create the ground state eigensolver
calc = GroundStateEigensolver(qubit_converter, vqe_solver)
# Solve the problem
result = calc.solve(problem)
# Display the results
print(result)
```
อธิบายโค้ด
1. การนำเข้าโมดูลและไลบรารีที่จำเป็น: โค้ดนี้ใช้ Qiskit และ Qiskit Nature สำหรับการจำลองเคมีควอนตัม
2. กำหนดโครงสร้างโมเลกุลน้ำ (H₂O): ใช้ `PySCFDriver` เพื่อกำหนดโครงสร้างของโมเลกุลน้ำในหน่วยแองสตรอมและฐานข้อมูล `sto3g`
3. สร้างวัตถุ QMolecule: ใช้ `driver.run()` เพื่อสร้างวัตถุ QMolecule
4. ใช้ตัวแปลง: ใช้ `FreezeCoreTransformer` เพื่อแปลงข้อมูลโมเลกุลและกำจัดอิเล็กตรอนที่ไม่จำเป็น
5. กำหนดตัวแปลงควอนตัม: ใช้ `QubitConverter` และ `ParityMapper` เพื่อกำหนดตัวแปลงควอนตัม
6. กำหนดปัญหาโครงสร้างอิเล็กตรอน: ใช้ `ElectronicStructureProblem` เพื่อกำหนดปัญหาการคำนวณโครงสร้างอิเล็กตรอน
7. ตั้งค่าตัวประมวลผลควอนตัม: ใช้ `QuantumInstance` เพื่อกำหนด backend สำหรับการจำลองควอนตัม
8. กำหนดอัลกอริธึม VQE: ใช้ `VQEUCCSDFactory` เพื่อสร้างตัวแก้ปัญหา VQE (Variational Quantum Eigensolver)
9. สร้างตัวแก้ปัญหาสถานะพื้น: ใช้ `GroundStateEigensolver` เพื่อสร้างตัวแก้ปัญหาสถานะพื้น
10. แก้ปัญหา: ใช้ `calc.solve(problem)` เพื่อแก้ปัญหาและหาพลังงานของโมเลกุลน้ำ
11. แสดงผลลัพธ์: แสดงผลลัพธ์ของการคำนวณ
ด้วยโค้ดนี้ คุณสามารถสร้างโมเลกุลน้ำและคำนวณพลังงานพื้นฐานของมันโดยใช้ Qiskit ได้