Kvantový programovací jazyk společnosti Microsoft, Q#, by vám mohl pomoci naučit se kvantovou fyziku

Počítače začínají být divné.

Po desetiletích teorie, první kvantové počítače nyní sedí v několika vybraných laboratořích po celém světě. Jsou rudimentární a pravděpodobně méně praktické než rané elektronické počítače, jako je 50tunový ENIAC. Přesto výzkumníci dělají pokroky. IBM, Google a Intel dělají pokrok na kvantovém hardwaru a praktický kvantový počítač se konečně cítí jako realita blízké budoucnosti namísto námětu pro sci-fi.

To je příležitost. Je to také problém. Kvantová fyzika je zvláštní sféra teleportace a pravděpodobnosti, která se neřídí pravidly, která známe. Většina lidí nerozumí kvantové mechanice, a to včetně programátorů, lidí, kteří budou muset kvantové počítače prakticky využít.

Microsoft má plán, jak je vzdělávat.

Aby bylo tajemství přístupné

Každý vývojář, který se chce naučit nový programovací jazyk, jako je C# nebo Javascript, chce okamžitě využít její lekce. Ale počátek kvantových počítačů to může zkomplikovat. Vytváření programu pro mnoho kvantových zařízení je podobné jako pokusit se psát v binárním strojovém kódu – kromě toho, že je to ještě obtížnější, protože kvantová mechanika. Toto není jen oblast, která je dobře srozumitelná, ale těžko se překládá. Je to oblast studia, kde některé základy zůstávají neznámé.

To zahrnuje důvod proč fungují kvantové počítače. "To, co máme v oblasti kvantových počítačů, je důkazem toho, že kvantové počítače mohou překonat klasické počítače," řekla Krysta Svore, hlavní manažerka výzkumu ve skupině Quantum Architectures and Computation společnosti Microsoft. "Svatý grál v našem oboru by toho byl skutečným matematickým důkazem."

Kvantové počítání je tak nové a tak odlišné od čehokoli před ním, že i špičkoví výzkumníci zůstávají v nevědomosti ohledně důležitých a základních prvků.

Naučit programátory kvantově kódovat na skutečném hardwaru zatím nepřipadá v úvahu. Kvantový programovací jazyk společnosti Microsoft, Q#, tento problém překonává tím, že nabízí jednoduchý přístup k nástrojům potřebným k zahájení programování. To znamená učinit Q# tak známým a přístupným, jak je to jen možné, i když vědci pokračují v průlomech v základech fungování kvantových počítačů.

Q# není schovaný za zdí hrozné dokumentace a špatně vysvětlených instalačních programů. Programátoři k němu mohou přistupovat přes Visual Studio, nejoblíbenější vývojové prostředí na světě. A programátoři nepotřebují přístup ke kvantovému počítači, aby jej mohli používat.

Místo toho mohou programovat, jako by jejich kód běžel na skutečném kvantovém zařízení, ale pak jej spouštějí ve virtuální simulaci. To je možné, protože kvantový počítač není považován za svůj vlastní úplný, nezávislý systém, ale místo toho jako akcelerátor, který spouští klasický počítač s klasickým počítačem kód.

„Představujeme si, že kvantový počítač bude dalším zdrojem v Azure, vedle řekněme GPU, FPGA, ASIC, který lze použít. Azure se stává celou touto strukturou, která ve svých výpočtech zahrnuje kvantový počítač,“ řekl Svore pro Digital Trends.

Většina programátorů je obeznámena s používáním účelově vytvořeného hardwaru pro konkrétní úkoly a většina z nich je obeznámena s využíváním zdrojů v cloudu. Spouštění Q# se neliší od těch dobře známých úkolů. Kvantový hardware může být exotický a vzácný, ale programovací prostředí, které Microsoft nabízí pro Q#, ano přesně to, co byste dnes viděli, kdybyste se podívali přes rameno programátorovi nanejvýš Fortune 500 společnosti. Díky tomu je mnohem méně zastrašující.

„Nejvyšší vizí je, že uživatel neříká ‚Dobře, teď musím vzít tuto aplikaci a spustit ji na této části na CPU, na této části tady, na této části tam‘,“ řekl Svore. „Je to stejné jako s kvantovými počítači. Chceme, aby byl urychlovač bezproblémový."

Kvantová komunita

Programátoři se mohou představit Q# prostřednictvím sady bezplatných výukových programů, které Microsoft nazývá Quantum Katas. Každá lekce zahrnuje „sekvenci úloh na určité téma kvantové výpočetní techniky“, které musí programátoři vyřešit. Nalezení správného řešení je cílem, ale stejně důležitá je cesta. Katy nejsou určeny k vyřešení jedním průchodem. Vyučují metodou pokus-omyl a seznamují programátory se základy kvantového programování.

Chris Granade, výzkumný softwarový vývojový inženýr ve společnosti Microsoft, je viděl na vlastní oči, když se účastnil výukového programu pořádaného University of Technology Sydney. "Bylo opravdu úžasné sledovat, jak lidé mohou přejít od nulových znalostí v kvantech až k jejich psaní," řekl Digital Trends. „Proměnlivé bylo to, že když lidé měli nedorozumění, netrpěli tím. Mohli spustit kata, viděli, že dostali špatnou odpověď, a díky této zpětné vazbě to lidé skutečně pochopili praktickým způsobem.“

Tato praktická zkušenost okamžitě transformuje kvantové výpočty z teoretického konceptu na praktickou realitu, což je rozdíl v tom, jak k němu lidé přistupují. Programátoři možná nevytvářejí fyzické objekty, ale jsou zvyklí vidět zpětnou vazbu jako každý jiný řemeslník. Vytvoří věc a ta funguje – nebo ne. Q# a Quantum Katas přinášejí tuto úroveň zpětné vazby do kvantového programování a dávají každému zájemci šanci ponořit se do toho a pochopit, co kvantové výpočty umožňují.

Změna, kterou Granade viděl osobně, se neděje jen ve třídách. Quantum Development Kit, jehož je Q# součástí, si může stáhnout kdokoli pod open-source licencí. Zainteresovaní vývojáři jej mohou nejen začít používat, ale aktivně přispívat do komunity. Svore pro Digital Trends řekl, že počet stažení QDK je v „horních desítkách tisíc“ a účastníků již přidali „hrst podstatných příspěvků“, včetně nových algoritmů a dokumentace.

I když je tato sada Quantum Development Kit stále výklenkem, staví laťku vstupu dostatečně nízko, že i nováček programátor může začít experimentovat s Q# a přitom začít chápat, co dělá kvantové výpočty klíště. To je užitečné nejen pro programátory, ale pro celou oblast kvantové fyziky. Vysvětlování kvantových teorií je velkým bolehlavem nejen proto, že kvantový svět je ve srovnání s „klasickým“ fyziku většina programátorů zná, ale také proto, že praktické důsledky kvantové fyziky mohou být obtížné prokázat.

Klasické počítače se zabývají binárními absolutními veličinami. 1s a 0s. Vypnuto nebo zapnuto. Quantum se zabývá pravděpodobnostmi a programování pro kvanta znamená vytváření algoritmů, které manipulují s pravděpodobnostmi, aby vytvořily správné řešení. "Víš, že tato vlna zahrnuje mé řešení." Tyto další vlny neobsahují řešení. Takže chci, aby ty vlny, když překáží, zmizely,“ vysvětlil Svore. „A chci, aby vlna, která zahrnuje mé řešení, byla opravdu velká. Na konci změříme kvantové stavy. Pravděpodobnost, že se vysoká vlna dostane ven, je tím pravděpodobnější, čím vyšší je tato vlna. Tak navrhujeme kvantové algoritmy."

Chápete, co znamená Svore?

Pokud ne, necíťte se špatně. Není snadné to pochopit a není snadné to předvést. Dokonce i myšlenkové experimenty určené ke zjednodušení kvantové mechaniky, jako je slavná Schrodingerova kočka, vás mohou nechat drbat se na hlavě.

Microsoft doufá, že Q# a Quantum Katas nabídnou praktickou alternativu pro přístup k tomuto tématu. „Nepotřebujete znát fyziku. Nemusíte znát kvantovou mechaniku. Ve skutečnosti se přiznám, že jsem kvantovou mechaniku neabsolvoval až do postgraduálního studia,“ řekl Svore. „Vstoupil jsem do kvantové výpočetní techniky, aniž bych kdy studoval fyziku na vysoké škole. Jsem vystudovaný počítačový vědec."

Kvantové programování by se mohlo stát oknem vhledu tím, že dá programátorům šanci prakticky využít kvantové teorie, aniž by se vzdali nástrojů, na které se spoléhali. Není třeba trávit roky učením fyziky. Stačí skočit, vytvořit aplikaci, která používá Q#, a uvidíte, co se stane.

Příprava na zítřek

Dnešní praktické použití Q# je omezené, protože neexistuje žádný hardware, na který by se dalo zavolat. Microsoft ještě nepostavil kvantový počítača i kdyby ano, bylo by příliš primitivní na provádění užitečných výpočtů. Ale programátor může zkontrolovat svou práci spuštěním Q# na simulovaném kvantovém počítači. To umožňuje kódovat program pro kvanta s rozumným očekáváním, že jakmile bude k dispozici hardware, bude fungovat.

To je zásadní. Kvantové počítače nejsou jen lepší moderní PC. Jsou zásadně odlišné. Vyžadují jiný hardware, různé algoritmy a jiný přístup k řešení složitých problémů. I kdyby se objevil cestovatel v čase s funkčním, stabilním, milionem qubitovým kvantovým počítačem, měli bychom problém jej použít, stejně jako by římští učenci byli zmateni, kdyby dostali laptop. 99,9 procent moderních vývojářů, programátorů a počítačových vědců má nulové zkušenosti s kvantovým kódováním a nemají ponětí, jak funguje kvantová fyzika. Než bude možné učinit působivější objevy, musí být představeny základy.

Výuka zabere čas – ale Q# společnosti Microsoft je důležitým krokem vpřed.

Doporučení redakce

• ChatGPT nyní může generovat funkční klíče Windows 11 zdarma
• Microsoft možná ignoroval varování o neopodstatněných odpovědích Bing Chatu
• Čínští hackeři se zaměřují na kritickou americkou infrastrukturu, varuje Microsoft
• Nyní si můžete vyzkoušet avatary a virtuální prostory v Microsoft Teams
• Microsoft Build 2023: největší oznámení v oblasti AI, Windows a dalších