שפת התכנות הקוונטית של מיקרוסופט, Q#, תוכל לעזור לך ללמוד פיזיקה קוונטית

מחשבים עומדים להיות מוזרים.

לאחר עשרות שנים כתיאוריה, המחשבים הקוונטים הראשונים יושבים כעת בכמה מעבדות נבחרות ברחבי העולם. הם בסיסיים, וללא ספק פחות מעשיים ממחשבים אלקטרוניים מוקדמים כמו ENIAC במשקל 50 טון. ובכל זאת החוקרים מתקדמים. יבמ, גוגל ואינטל מתקדמות על חומרה קוונטית, ומחשב קוונטי מעשי מרגיש סוף סוף כמו מציאות קרובה לעתיד במקום נושא למדע בדיוני.

זו הזדמנות. זו גם בעיה. פיזיקת קוונטים היא תחום מוזר של טלפורטציה והסתברות שאינה עומדת בכללים שאנו מכירים. רוב האנשים לא מבינים במכניקת הקוונטים, וזה כולל מתכנתים, האנשים שיצטרכו להכניס מחשבי קוונטים לשימוש מעשי.

למיקרוסופט יש תוכנית לחנך אותם.

הופך את המסתורין לנגיש

כל מפתח המעוניין ללמוד שפת תכנות חדשה, כמו C# או Javascript, רוצה לעשות שימוש מיידי בשיעורים שלה. עם זאת, הינקות של המחשוב הקוונטי עשויה להקשות על כך. יצירת תוכנית עבור מכשירים קוונטיים רבים דומה מאוד לניסיון לכתוב בקוד מכונה בינארי - אלא אפילו יותר קשה, בגלל מכניקת הקוונטים. זה לא רק תחום שמובן היטב אבל קשה לתרגום. זה תחום מחקר שבו חלק מהיסודות נותרים לא ידועים.

זה כולל את הסיבה למה מחשבים קוונטיים עובדים. "מה שיש לנו במחשוב קוונטי הוא נקודות הוכחה לכך שמחשבים קוונטיים יכולים להתעלות על מחשבים קלאסיים," אמרה קריסטה סבור, מנהלת מחקר עקרונית בקבוצת הארכיטקטורות והחישוב הקוונטים של מיקרוסופט. "הגביע הקדוש בתחום שלנו יהיה הוכחה מתמטית ממשית לכך."

מחשוב קוונטי הוא כל כך חדש, וכל כך לא דומה לשום דבר לפניו, שאפילו חוקרים מובילים נשארים בחושך לגבי אלמנטים חשובים ויסודיים.

ללמד מתכנתים לקודד לקוונטי על חומרה אמיתית לא בא בחשבון לעת עתה. שפת התכנות הקוונטי של מיקרוסופט, Q#, עוקפת את הבעיה על ידי מתן גישה פשוטה לכלים הדרושים כדי להתחיל בתכנות. זה אומר להפוך את Q# למוכר ונגיש ככל האפשר, גם בזמן שמדענים ממשיכים לעשות פריצות דרך ביסודות של איך מחשבים קוונטיים עובדים.

Q# לא חבוי מאחורי קיר של תיעוד נורא ומתקיני הסבר גרוע. מתכנתים יכולים לגשת אליו דרך Visual Studio, סביבת הפיתוח הפופולרית ביותר בעולם. ומתכנתים לא צריכים גישה למחשב קוונטי כדי להשתמש בו.

במקום זאת, הם יכולים לתכנת כאילו הקוד שלהם ירוץ על התקן קוונטי אמיתי, אבל אז להריץ אותו בסימולציה וירטואלית. זה אפשרי מכיוון שלא מתייחסים למחשב הקוונטי כמערכת שלמה ועצמאית משלו, אבל במקום זאת כמאיץ שמופעל על ידי מחשב קלאסי המריץ מחשב קלאסי קוד.

"אנו מדמיינים שהמחשב הקוונטי הוא משאב נוסף ב-Azure, לצד ה-GPU, ה-FPGA, ה-ASIC, לשימוש. Azure הופך לכל המארג הזה שכולל במחשב שלו מחשב קוונטי", אמר סבור ל-Digital Trends.

רוב המתכנתים מכירים את השימוש בחומרה ייעודית עבור משימות ספציפיות, ורובם מכירים להתקשר למשאבים בענן. הפעלת Q# אינה שונה מאותן משימות ידועות. חומרה קוונטית עשויה להיות אקזוטית ונדירה, אבל סביבת התכנות שמיקרוסופט מציעה עבור Q# היא בדיוק מה שהיית רואה היום אם תסתכל מעבר לכתפו של מתכנת לכל היותר Fortune 500 חברות. זה הופך את זה להרבה פחות מאיים.

"החזון האולטימטיבי הוא שהמשתמש לא אומר 'אוקיי, עכשיו אני צריך לקחת את האפליקציה הזו ולהפעיל אותה על החלק הזה במעבד, החלק הזה כאן, החלק הזה שם'", אמר סבור. "זה אותו דבר עם מחשוב קוונטי. אנחנו רוצים שהמאיץ יהיה חלק".

קהילה קוונטית

מתכנתים יכולים להציג את עצמם ל-Q# באמצעות ערכת הדרכות חינמיות שמיקרוסופט מכנה Quantum Katas. כל שיעור כולל "רצף של משימות בנושא מחשוב קוונטי מסוים" שמתכנתים מאותגרים לפתור. מציאת הפתרון הנכון היא המטרה, אבל המסע חשוב לא פחות. הקאטות לא נועדו להיפתר במעבר אחד. הם מלמדים באמצעות ניסוי וטעייה, ומציגים למתכנתים את היסודות של תכנות קוונטי לאורך הדרך.

כריס גרנדה, מהנדס פיתוח תוכנה מחקרית במיקרוסופט, ראה אותם בעצמו בזמן שהשתתף בשיעור הדרכה שערך האוניברסיטה לטכנולוגיה סידני. "זה היה באמת מדהים לראות שאנשים יכולים לעבור מאפס ידע בקוונטים, לכתיבת אותו", אמר ל-Digital Trends. "מה שהיה טרנספורמטיבי, זה שכאשר הייתה לאנשים אי הבנה, הם לא סבלו איתה. הם יכלו להפעיל את הקאטות, הם יכלו לראות שקיבלו את התשובה השגויה, והמשוב הזה באמת גרם לאנשים להבין בצורה מעשית".

חוויה מעשית זו הופכת מיד את המחשוב הקוונטי ממושג תיאורטי למציאות מעשית, מה שעושה את כל ההבדל באופן שבו אנשים ניגשים אליו. מתכנתים אולי לא מייצרים חפצים פיזיים, אבל הם רגילים לראות משוב בדיוק כמו כל בעל מלאכה אחר. הם יוצרים דבר וזה עובד - או שהוא לא. Q# וה-Quantum Katas מביאים את הרמה הזו של משוב לתכנות קוונטי, ומעניקים לכל מי שמתעניין הזדמנות להתעמק ולהבין מה מחשוב קוונטי מאפשר.

השינוי שגרנדה ראה באופן אישי לא מתרחש רק בכיתות. ערכת הפיתוח Quantum, ש-Q# הוא חלק ממנה, ניתנת להורדה על ידי כל אחד ברישיון קוד פתוח. מפתחים מעוניינים יכולים לא רק להתחיל להשתמש בו, אלא לתרום באופן פעיל לקהילה. סבור אמר ל-Digital Trends כי הורדות QDK מספרות ב"עשרות האלפים העליונות", והמשתתפים כבר הוסיפו "קומץ תרומות משמעותיות", כולל אלגוריתמים חדשים ו תיעוד.

למרות שעדיין נישה, ערכת הפיתוח הקוונטית הזו מציבה את רף הכניסה נמוך מספיק אפילו לטירון מתכנת יכול להתחיל להתנסות ב-Q# ובכך להתחיל להבין מה עושה מחשוב קוונטי תִקתוּק. זה מועיל לא רק למתכנתים, אלא לכל תחום הפיזיקה הקוונטית. הסבר תיאוריות הקוונטים הוא כאב ראש גדול לא רק בגלל שעולם הקוונטים מוזר בהשוואה ל"קלאסי" פיזיקה שרוב המתכנתים יודעים, אבל גם בגלל שההשלכות המעשיות של פיזיקת הקוונטים יכולות להיות קשות לְהַפְגִין.

מחשבים קלאסיים מתמודדים עם אבסולוטים בינאריים. 1 ו-0. כבוי או מופעל. קוואנטום עוסק בהסתברויות, ותכנות לקוונטי פירושו יצירת אלגוריתמים שמתמרנים הסתברויות כדי לייצר את הפתרון הנכון. "אתה יודע שהגל הזה כולל את הפתרון שלי. גלים אחרים אלה אינם כוללים פתרון. אז, אני רוצה שהגלים האלה, כשהם מפריעים, ייעלמו", הסביר סבור. "ואני רוצה שהגל שכולל את הפתרון שלי יהיה ממש גדול. בסוף, אנו מודדים את המצבים הקוונטיים. ההסתברות להוציא את הגל הגבוה היא יותר סביר ככל שהגל גבוה יותר. כך אנו מעצבים אלגוריתמים קוונטיים."

אתה מבין למה סבור מתכוון?

אם לא, אל תרגיש רע. זה לא קל לתפיסה, וזה לא קל להדגים. אפילו ניסויי מחשבה שנועדו לפשט את מכניקת הקוונטים, כמו החתול המפורסם של שרדינגר, יכולים להשאיר אותך מגרד בראש.

מיקרוסופט מקווה ש-Q#, וה-Quantum Katas, יציעו אלטרנטיבה מעשית לגישה לנושא. "אתה לא צריך לדעת את הפיזיקה. אתה לא צריך לדעת את מכניקת הקוונטים. למעשה, אני מודה שלא למדתי מכניקת קוונטים עד לתואר שני", אמר סבור. "נכנסתי למחשוב קוונטי מבלי ללמוד פיזיקה בקולג'. אני מדען מחשבים בהכשרתי".

תכנות קוונטי יכול להפוך לחלון של תובנה על ידי מתן הזדמנות למתכנתים לעשות שימוש מעשי בתיאוריות הקוונטיות מבלי לוותר על הכלים שעליהם הסתמכו. אין צורך להשקיע שנים בלימוד פיזיקה. פשוט תקפוץ פנימה, צור אפליקציה שמשתמשת ב-Q#, ותראה מה קורה.

מתכוננים למחר

השימוש המעשי של היום ב-Q# מוגבל מכיוון שאין חומרה להתקשר. מיקרוסופט עדיין לא בנתה מחשב קוונטי, וגם אם כן, זה יהיה פרימיטיבי מדי לבצע חישובים שימושיים. אבל מתכנת יכול לבדוק את עבודתו על ידי הפעלת Q# במחשב קוונטי מדומה. זה מאפשר לקודד תוכנית לקוונטית עם ציפייה סבירה שברגע שהחומרה תהיה זמינה היא תעבוד.

זה מכריע. מחשבי קוונטים הם לא רק מחשב מודרני טוב יותר. הם שונים מהותית. הם דורשים חומרה שונה, אלגוריתמים שונים וגישה שונה לפתרון בעיות מורכבות. גם אם נוסע בזמן יופיע עם מחשב קוונטי פונקציונלי, יציב, של מיליון קיוביטים, היינו מתקשים להשתמש בו, בדיוק כפי שמלומדים רומאים היו מבולבלים אם יקבל מחשב נייד. ל-99.9 אחוז מהמפתחים, המתכנתים ומדעני המחשב המודרניים יש אפס ניסיון בקידוד קוונטים, ואין להם מושג איך עובדת פיזיקת הקוונטים. יש להציג את היסודות לפני שניתן יהיה למצוא תגליות מרשימות יותר.

הוראה שתיקח זמן - אבל ה-Q# של מיקרוסופט הוא צעד חשוב קדימה.

המלצות עורכים

• ChatGPT יכול כעת ליצור מפתחות Windows 11 עובדים בחינם
• ייתכן שמיקרוסופט התעלמה מאזהרות לגבי התגובות הבלתי תלויות של Bing Chat
• האקרים סינים מכוונים לתשתית קריטית בארה"ב, מזהירה מיקרוסופט
• כעת תוכל לנסות אווטרים ומרחבים וירטואליים ב-Microsoft Teams
• Microsoft Build 2023: ההכרזות הגדולות ביותר ב-AI, Windows ועוד