A Microsoft kvantumprogramozási nyelve, a Q#, segíthet a kvantumfizika elsajátításában

A számítógépek furcsák lesznek.

Több évtizedes elmélet után az első kvantumszámítógépek mára néhány kiválasztott laboratóriumban találhatók szerte a világon. Kezdetlegesek, és vitathatatlanul kevésbé praktikusak, mint az olyan korai elektronikus számítógépek, mint az 50 tonnás ENIAC. A kutatók azonban haladnak előre. Az IBM, a Google és az Intel halad kvantumhardveren, és egy praktikus kvantumszámítógép végre a közeljövő valóságának tűnik a tudományos-fantasztikus irodalom témája helyett.

Ez egy lehetőség. Ez is probléma. A kvantumfizika a teleportáció és a valószínűség furcsa birodalma, amely nem követi az általunk ismert szabályokat. A legtöbb ember nem érti a kvantummechanikát, és ebbe beletartoznak a programozók is, azok az emberek, akiknek szükségük lesz a kvantumszámítógépek gyakorlati alkalmazására.

A Microsoftnak terve van a képzésükre.

A rejtély megközelíthetővé tétele

Minden olyan fejlesztő, aki új programozási nyelvet, például C#-t vagy Javascriptet szeretne elsajátítani, azonnal fel akarja használni a leckéket. Ám a kvantumszámítás kezdete ezt megnehezítheti. Számos kvantumeszközhöz programot létrehozni olyan, mintha bináris gépi kódban próbálnánk írni – kivéve a kvantummechanika miatt még bonyolultabbat. Ez nem csak egy jól értett, de nehezen lefordítható terület. Ez egy olyan kutatási terület, ahol néhány alapismeret ismeretlen.

Ebben benne van az ok is miért a kvantumszámítógépek működnek. „A kvantumszámítástechnikában bizonyított tény, hogy a kvantumszámítógépek felülmúlhatják a klasszikus számítógépeket” – mondta Krysta Svore, az elvkutatási menedzser a Microsoft Quantum Architectures and Computation csoportjában. "A Szent Grál a mi területünkön ennek tényleges matematikai bizonyítéka lenne."

A kvantumszámítás annyira új, és annyira különbözik minden korábbitól, hogy még a vezető kutatók is homályban maradnak a fontos és alapvető elemekről.

Egyelőre szóba sem jöhet, hogy a programozókat megtanítsák valódi hardveren kvantumkódolni. A Microsoft kvantumprogramozási nyelve, a Q#, megkerüli ezt a problémát azáltal, hogy egyszerű hozzáférést biztosít a programozás megkezdéséhez szükséges eszközökhöz. Ez azt jelenti, hogy a Q#-t a lehető legismertebbé és megközelíthetőbbé kell tenni, még akkor is, ha a tudósok továbbra is áttörést érnek el a kvantumszámítógépek működésének alapjaiban.

A Q# nem rejtőzik a szörnyű dokumentációk és a rosszul elmagyarázott telepítők fala mögött. A programozók a Visual Studio segítségével érhetik el, a világ legnépszerűbb fejlesztőkörnyezete. A programozóknak pedig nem kell hozzáférniük egy kvantumszámítógéphez a használatához.

Ehelyett úgy programozhatnak, mintha a kódjuk egy tényleges kvantumeszközön futna, de aztán futtathatják egy virtuális szimuláción. Ez azért lehetséges, mert a kvantumszámítógépet nem kezelik saját teljes, független rendszerként, hanem gyorsítóként, amelyet egy klasszikus számítógépet futtató klasszikus számítógép hív meg kód.

„Úgy képzeljük, hogy a kvantumszámítógép egy másik erőforrás az Azure-ban, mondjuk a GPU, az FPGA, az ASIC mellett. Az Azure az egész szövetté válik, amelynek számítása magában foglalja a kvantumszámítógépet” – mondta Svore a Digital Trendsnek.

A legtöbb programozó ismeri a célirányosan felépített hardver használatát bizonyos feladatokhoz, és a legtöbb ismeri a felhőben lévő erőforrások igénybevételét. A Q# elindítása nem különbözik azoktól a jól ismert feladatoktól. A kvantumhardver egzotikus és ritka lehet, de a Microsoft által a Q# számára kínált programozási környezet igen pontosan az, amit ma látna, ha egy programozó válla fölött átnézne legfeljebb a Fortune 500-ra cégek. Ez sokkal kevésbé félelmetessé teszi.

„A végső elképzelés az, hogy a felhasználó nem azt mondja: „Oké, most elő kell vennem ezt az alkalmazást, és futtatnom kell a CPU ezen részén, ezen a részen itt, ezen a részen ott” – mondta Svore. „Ugyanez a helyzet a kvantumszámítással is. Azt akarjuk, hogy a gyorsító zökkenőmentes legyen.”

Kvantum közösség

A programozók bemutatkozhatnak a Q#-nak a Microsoft Quantum Katasnak nevezett ingyenes oktatóanyagon keresztül. Minden lecke tartalmaz „egy feladatsort egy bizonyos kvantumszámítási témában”, amelyet a programozóknak kell megoldaniuk. A helyes megoldás megtalálása a cél, de az utazás is ugyanolyan fontos. A katák nem arra valók, hogy egy menetben oldják meg. Próba-hiba módszerrel tanítanak, miközben a programozókat a kvantumprogramozás alapjaival ismertetik meg.

Chris Granade, a Microsoft kutatószoftver-fejlesztési mérnöke saját szemével látta ezeket, miközben részt vett a Sydney-i Műszaki Egyetem által szervezett oktatóprogramon. „Igazán elképesztő volt látni, hogy az emberek a nulla kvantumismerettől eljuthatnak az íráshoz” – mondta a Digital Trendsnek. „Ami átformáló volt, az az volt, hogy amikor az embereknek volt félreértésük, nem szenvedtek tőle. Futtathatták a katákat, láthatták, hogy rossz választ kaptak, és ez a visszajelzés gyakorlatias módon megértette az emberekkel.”

Ez a gyakorlati tapasztalat azonnal átalakítja a kvantumszámítást egy elméleti koncepcióból a gyakorlati valósággá, ami mindent megtesz abban, hogy az emberek hogyan viszonyulnak hozzá. Lehet, hogy a programozók nem készítenek fizikai tárgyakat, de hozzászoktak a visszajelzésekhez, mint bármely más kézműves. Létrehoznak egy dolgot, és az működik – vagy nem. A Q# és a Quantum Katas ilyen szintű visszacsatolást biztosít a kvantumprogramozáshoz, lehetőséget adva minden érdeklődőnek, hogy elmélyüljön és megértse, mit tesz lehetővé a kvantumszámítás.

Az a változás, amelyet Granade személyesen látott, nem csak az osztálytermekben történik. A Quantum Development Kit-et, amelynek a Q# is része, bárki letöltheti nyílt forráskódú licenc alapján. Az érdeklődő fejlesztők nemcsak elkezdhetik használni, hanem aktívan hozzájárulhatnak a közösséghez. Svore a Digital Trendsnek elmondta, hogy a QDK-letöltések száma „a felső tízezres” és a résztvevők száma már hozzáadtak egy maroknyi jelentős hozzájárulást, beleértve az új algoritmusokat és dokumentáció.

Bár ez a Quantum Development Kit még mindig résnek számít, elég alacsonyra helyezi a belépési lécet, még egy kezdő számára is a programozó elkezdhet kísérletezni a Q#-val, és ennek során elkezdheti megérteni, mi teszi a kvantumszámítást ketyegés. Ez nem csak a programozók számára hasznos, hanem a kvantumfizika egész területén. A kvantumelméletek magyarázata nemcsak azért okoz komoly fejtörést, mert a kvantumvilág furcsa a „klasszikushoz” képest. a fizikát a legtöbb programozó ismeri, hanem azért is, mert a kvantumfizika gyakorlati vonatkozásait nehéz lehet demonstrálni.

A klasszikus számítógépek bináris abszolútumokkal foglalkoznak. 1-esek és 0-sok. Ki vagy bekapcsolva. A kvantum a valószínűségekkel foglalkozik, a kvantum programozása pedig olyan algoritmusok létrehozását jelenti, amelyek manipulálják a valószínűségeket a megfelelő megoldás előállítása érdekében. – Tudod, hogy ez a hullám magában foglalja az én megoldásomat is. Ezek a többi hullám nem tartalmaz megoldást. Szóval azt akarom, hogy ezek a hullámok, amikor zavarják, eltűnjenek” – magyarázta Svore. „És azt akarom, hogy a hullám, amely magában foglalja az én megoldásomat, nagyon nagyra nőjön. A végén megmérjük a kvantumállapotokat. Minél magasabb a hullám, annál valószínűbb, hogy kikerül a magas hullám. Így tervezünk kvantumalgoritmusokat."

Érted, mit jelent Svore?

Ha nem, ne érezd magad rosszul. Nem könnyű felfogni, és nem könnyű bemutatni. Még a kvantummechanika egyszerűsítését célzó gondolatkísérletek is, mint például Schrodinger híres macskája, megvakarhatják a fejét.

A Microsoft reméli, hogy a Q# és a Quantum Katas gyakorlati alternatívát kínál majd a téma megközelítésére. „Nem kell ismerned a fizikát. Nem kell ismerned a kvantummechanikát. Valójában bevallom, hogy nem tanultam kvantummechanikát a diploma megszerzéséig” – mondta Svore. „Anélkül kezdtem el a kvantumszámítástechnikát, hogy fizikát tanultam volna az egyetemen. Végzettségem szerint informatikus vagyok."

A kvantumprogramozás betekintési ablakká válhat azáltal, hogy lehetőséget ad a programozóknak a kvantumelméletek gyakorlati felhasználására anélkül, hogy elhagynák azokat az eszközöket, amelyekre támaszkodni szoktak. Nem kell éveket tölteni a fizika tanulásával. Csak ugorjon be, készítsen egy Q#-t használó alkalmazást, és nézze meg, mi történik.

Felkészülés a holnapra

A Q# gyakorlati használata manapság korlátozott, mert nincs hardver, amit meg kellene hívni. A Microsoft még nem épített kvantumszámítógépet, és még ha lenne is, túl primitív lenne hasznos számításokat végezni. De egy programozó ellenőrizheti a munkáját, ha futtatja a Q#-t egy szimulált kvantumszámítógépen. Ez lehetővé teszi egy program kvantumkódolását azzal az ésszerű elvárással, hogy ha a hardver rendelkezésre áll, az működni fog.

ez döntő. A kvantumszámítógépek nem pusztán egy jobb modern számítógépek. Alapvetően különböznek egymástól. Más hardvert, más algoritmusokat és más megközelítést igényelnek az összetett problémák megoldásához. Még ha megjelenne is egy időutazó egy működőképes, stabil, millió qubit-es kvantumszámítógéppel, akkor is nehezen tudnánk használni, ahogy a római tudósok is megzavarodnának, ha kezükbe adnának egy laptopot. A modern fejlesztők, programozók és informatikusok 99,9 százalékának nincs tapasztalata a kvantumkódolás terén, és fogalma sincs arról, hogyan működik a kvantumfizika. Az alapokat meg kell ismertetni, mielőtt még lenyűgözőbb felfedezéseket lehet tenni.

A tanításhoz idő kell – de a Microsoft Q#-ja fontos előrelépés.

Szerkesztői ajánlások

• A ChatGPT mostantól ingyenesen generálhat működő Windows 11 kulcsokat
• Lehet, hogy a Microsoft figyelmen kívül hagyta a Bing Chat nem függő válaszaira vonatkozó figyelmeztetéseket
• Kínai hackerek kritikus amerikai infrastruktúrát céloznak meg – figyelmeztet a Microsoft
• Mostantól kipróbálhatja az avatarokat és a virtuális tereket a Microsoft Teamsben
• Microsoft Build 2023: a legnagyobb bejelentések az AI, a Windows és egyebek terén