Le langage de programmation quantique de Microsoft, Q#, pourrait vous aider à apprendre la physique quantique

Les ordinateurs sont sur le point de devenir bizarres.

Après des décennies de théorie, les premiers ordinateurs quantiques se trouvent désormais dans quelques laboratoires sélectionnés à travers le monde. Ils sont rudimentaires et sans doute moins pratiques que les premiers ordinateurs électroniques comme l’ENIAC de 50 tonnes. Pourtant, les chercheurs progressent. IBM, Google et Intel progressent sur le matériel quantique, et un ordinateur quantique pratique ressemble enfin à une réalité dans un futur proche plutôt qu'à un sujet de science-fiction.

C’est une opportunité. C’est aussi un problème. La physique quantique est un domaine étrange de téléportation et de probabilité qui ne suit pas les règles que nous connaissons. La plupart des gens ne comprennent pas la mécanique quantique, et cela inclut les programmeurs, les personnes qui devront mettre les ordinateurs quantiques en pratique.

Microsoft a un plan pour les éduquer.

Rendre le mystère accessible

Tout développeur souhaitant apprendre un nouveau langage de programmation, comme C# ou Javascript, souhaite utiliser immédiatement ses leçons. Pourtant, les débuts de l’informatique quantique peuvent rendre cela difficile. Créer un programme pour de nombreux appareils quantiques revient un peu à essayer d'écrire en code machine binaire – sauf que c'est encore plus difficile, à cause de la mécanique quantique. Ce n’est pas seulement un domaine bien compris mais difficile à traduire. C’est un domaine d’étude dont certains fondamentaux restent inconnus.

Cela inclut la raison pourquoi les ordinateurs quantiques fonctionnent. « Ce que nous avons dans l’informatique quantique est la preuve que les ordinateurs quantiques peuvent surpasser les ordinateurs classiques » a déclaré Krysta Svore, directrice principale de la recherche au sein du groupe Architectures quantiques et calcul de Microsoft. "Le Saint Graal dans notre domaine en serait une véritable preuve mathématique."

L’informatique quantique est si nouvelle et si différente de tout ce qui l’a précédé, que même les meilleurs chercheurs restent dans l’ignorance des éléments importants et fondamentaux.

Apprendre aux programmeurs à coder pour le quantum sur du matériel réel est hors de question pour le moment. Le langage de programmation quantique de Microsoft, Q#, évite ce problème en offrant un accès simple aux outils nécessaires pour commencer la programmation. Cela signifie rendre Q# aussi familier et accessible que possible, même si les scientifiques continuent de faire des percées dans les principes fondamentaux du fonctionnement des ordinateurs quantiques.

Q# n’est pas caché derrière un mur de documentation épouvantable et d’installateurs mal expliqués. Les programmeurs peuvent y accéder via Visual Studio, l’environnement de développement le plus populaire au monde. Et les programmeurs n’ont pas besoin d’accéder à un ordinateur quantique pour l’utiliser.

Au lieu de cela, ils peuvent programmer comme si leur code s’exécutait sur un véritable appareil quantique, puis l’exécuter sur une simulation virtuelle. Cela est possible parce que l’ordinateur quantique n’est pas traité comme son propre système complet et indépendant, mais plutôt comme un accélérateur appelé par un ordinateur classique exécutant un ordinateur classique code.

«Nous envisageons que l'ordinateur quantique soit une autre ressource à utiliser dans Azure, à côté du GPU, du FPGA, de l'ASIC. Azure devient tout ce tissu qui inclut dans son calcul, un ordinateur quantique », a déclaré Svore à Digital Trends.

La plupart des programmeurs sont habitués à utiliser du matériel spécialement conçu pour des tâches spécifiques, et la plupart savent faire appel aux ressources du cloud. Lancer Q# n’est pas différent de ces tâches bien connues. Le matériel quantique est peut-être exotique et rare, mais l'environnement de programmation proposé par Microsoft pour Q# est exactement ce que vous verriez aujourd'hui si vous regardiez par-dessus l'épaule d'un programmeur Fortune 500 entreprises. Cela le rend beaucoup moins intimidant.

"La vision ultime est que l'utilisateur ne dit pas 'Ok, maintenant je dois prendre cette application et l'exécuter sur cette partie du processeur, cette partie ici, cette partie là'", a déclaré Svore. « C’est la même chose avec l’informatique quantique. Nous voulons que l’accélérateur soit transparent.

Une communauté quantique

Les programmeurs peuvent se présenter à Q# via un ensemble de didacticiels gratuits que Microsoft appelle Quantum Katas. Chaque leçon implique « une séquence de tâches sur un certain sujet d’informatique quantique » que les programmeurs sont mis au défi de résoudre. Trouver la bonne solution est l’objectif, mais le cheminement est tout aussi important. Les katas ne sont pas censés être résolus en un seul passage. Ils enseignent par essais et erreurs, initiant ainsi les programmeurs aux bases de la programmation quantique.

Chris Granade, ingénieur de recherche en développement logiciel chez Microsoft, les a vus par lui-même lors d'une session de didacticiel organisée par l'Université de technologie de Sydney. "C'était vraiment incroyable de voir que les gens pouvaient passer de zéro connaissance en matière quantique à l'écriture", a-t-il déclaré à Digital Trends. « Ce qui a été transformateur, c’est que lorsque les gens avaient un malentendu, ils n’en souffraient pas. Ils pouvaient exécuter les katas, ils pouvaient voir que la mauvaise réponse était obtenue, et ces retours ont vraiment permis aux gens de comprendre de manière pratique.

Cette expérience pratique transforme immédiatement l’informatique quantique d’un concept théorique à une réalité pratique, ce qui fait toute la différence dans la façon dont les gens l’abordent. Les programmeurs ne fabriquent peut-être pas d’objets physiques, mais ils sont habitués à recevoir des commentaires, comme n’importe quel autre artisan. Ils créent une chose et ça marche – ou ça ne marche pas. Q# et les Quantum Katas apportent ce niveau de rétroaction à la programmation quantique, donnant à toute personne intéressée une chance d'approfondir et de comprendre ce que l'informatique quantique rend possible.

Le changement que Granade a pu constater en personne ne se produit pas seulement dans les salles de classe. Le kit de développement Quantum, dont Q# fait partie, peut être téléchargé par n'importe qui sous une licence open source. Les développeurs intéressés peuvent non seulement commencer à l’utiliser, mais aussi contribuer activement à la communauté. Svore a déclaré à Digital Trends que les téléchargements de QDK se comptent par « des dizaines de milliers » et que les participants ont déjà ajouté « une poignée de contributions substantielles », notamment de nouveaux algorithmes et Documentation.

Bien qu'il s'agisse encore d'un créneau, ce kit de développement quantique place la barre d'entrée suffisamment bas pour que même un novice Le programmeur peut commencer à expérimenter Q# et, ce faisant, commencer à comprendre ce qui rend l'informatique quantique cocher. C’est utile non seulement pour les programmeurs, mais pour l’ensemble du domaine de la physique quantique. Expliquer les théories quantiques est un véritable casse-tête, non seulement parce que le monde quantique est étrange par rapport au monde « classique ». physique que la plupart des programmeurs connaissent, mais aussi parce que les implications pratiques de la physique quantique peuvent être difficiles à comprendre. démontrer.

Les ordinateurs classiques traitent des absolus binaires. 1 et 0. Éteint ou allumé. Le quantique traite des probabilités, et programmer pour le quantique signifie créer des algorithmes qui manipulent les probabilités pour produire la bonne solution. « Vous savez que cette vague inclut ma solution. Ces autres vagues ne contiennent pas de solution. Donc, je veux que ces vagues, lorsqu’elles interfèrent, disparaissent », a expliqué Svore. « Et je veux que la vague qui inclut ma solution devienne vraiment grande. A la fin, nous mesurons les états quantiques. La probabilité de faire sortir la vague haute est d’autant plus probable que cette vague est élevée. C’est ainsi que nous concevons des algorithmes quantiques.

Comprenez-vous ce que veut dire Svore ?

Sinon, ne vous sentez pas mal. Ce n’est pas facile à comprendre, et ce n’est pas facile à démontrer. Même les expériences de pensée destinées à simplifier la mécanique quantique, comme le célèbre chat de Schrödinger, peuvent vous laisser perplexes.

Microsoft espère que Q# et les Quantum Katas offriront une alternative pratique pour aborder le sujet. « Vous n’avez pas besoin de connaître la physique. Vous n’avez pas besoin de connaître la mécanique quantique. En fait, j’admets que je n’ai pas suivi de cours de mécanique quantique avant mes études supérieures », a déclaré Svore. « Je me suis lancé dans l’informatique quantique sans jamais avoir étudié la physique à l’université. Je suis informaticien de formation.

La programmation quantique pourrait devenir une fenêtre d’information en donnant aux programmeurs une chance d’utiliser concrètement les théories quantiques sans abandonner les outils sur lesquels ils s’appuient. Il n’est pas nécessaire de passer des années à apprendre la physique. Lancez-vous simplement, créez une application qui utilise Q# et voyez ce qui se passe.

Préparer demain

L’utilisation pratique actuelle de Q# est limitée car il n’existe aucun matériel sur lequel faire appel. Microsoft n'a pas encore construit d'ordinateur quantique, et même si c'était le cas, ce serait trop primitif pour effectuer des calculs utiles. Mais un programmeur peut vérifier son travail en exécutant Q# sur un ordinateur quantique simulé. Cela permet de coder un programme pour le quantique avec l’espoir raisonnable qu’une fois le matériel disponible, il fonctionnera.

C’est crucial. Les ordinateurs quantiques ne sont pas simplement de meilleurs PC modernes. Ils sont fondamentalement différents. Ils nécessitent un matériel différent, des algorithmes différents et une approche différente pour résoudre des problèmes complexes. Même si un voyageur temporel apparaissait avec un ordinateur quantique fonctionnel et stable d’un million de qubits, nous aurions du mal à l’utiliser, tout comme les érudits romains seraient perplexes si on leur remettait un ordinateur portable. 99,9 % des développeurs, programmeurs et informaticiens modernes n’ont aucune expérience en matière de codage quantique et n’ont aucune idée du fonctionnement de la physique quantique. Les bases doivent être introduites avant de pouvoir faire des découvertes plus impressionnantes.

Enseigner cela prendra du temps, mais le Q# de Microsoft constitue un pas en avant important.

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