„Microsoft“ kvantinio programavimo kalba, Q#, gali padėti išmokti kvantinės fizikos

Kompiuteriai tuoj keisis.

Po dešimtmečių teorijos pirmieji kvantiniai kompiuteriai dabar yra keliose pasirinktose laboratorijose visame pasaulyje. Jie yra elementarūs ir, be abejo, mažiau praktiški nei ankstyvieji elektroniniai kompiuteriai, tokie kaip 50 tonų ENIAC. Tačiau mokslininkai daro pažangą. IBM, Google ir Intel daro pažangą kvantinėje aparatinėje įrangoje, o praktiškas kvantinis kompiuteris pagaliau jaučiasi kaip artimiausios ateities realybė, o ne mokslinės fantastikos tema.

Tai galimybė. Tai taip pat yra problema. Kvantinė fizika yra keista teleportacijos ir tikimybių sfera, kuri neatitinka mums žinomų taisyklių. Daugelis žmonių nesupranta kvantinės mechanikos, įskaitant programuotojus, žmones, kuriems reikės praktiškai pritaikyti kvantinius kompiuterius.

„Microsoft“ turi planą juos šviesti.

Padaryti paslaptį prieinamą

Bet kuris kūrėjas, norintis išmokti naują programavimo kalbą, pvz., C# arba Javascript, nori nedelsiant pasinaudoti savo pamokomis. Tačiau kvantinio skaičiavimo pradžia gali tai apsunkinti. Programos kūrimas daugeliui kvantinių įrenginių yra panašus į bandymą rašyti dvejetainiu mašininiu kodu – nebent dar sudėtingiau, nes kvantinė mechanika. Tai ne tik gerai suprantama, bet ir sunkiai išverčiama sritis. Tai studijų sritis, kurioje kai kurie pagrindai lieka nežinomi.

Tai apima priežastį kodėl veikia kvantiniai kompiuteriai. „Tai, ką turime kvantiniame skaičiavime, yra įrodymas, kad kvantiniai kompiuteriai gali pranokti klasikinius kompiuterius. sakė principų tyrimo vadovė Krysta Svore Microsoft Quantum Architectures and Computation grupėje. „Šventasis Gralis mūsų srityje būtų tikras matematinis to įrodymas.

Kvantinė kompiuterija yra tokia nauja ir taip nepanaši į nieką anksčiau, kad net geriausi tyrėjai nežinia apie svarbius ir esminius elementus.

Išmokyti programuotojus koduoti kvantus tikroje aparatinėje įrangoje kol kas nekyla klausimų. „Microsoft“ kvantinio programavimo kalba Q# pašalina šią problemą, pasiūlydama paprastą prieigą prie įrankių, reikalingų norint pradėti programuoti. Tai reiškia, kad Q# turi būti kuo labiau pažįstamas ir prieinamas, net jei mokslininkai ir toliau daro perversmus kvantinių kompiuterių veikimo pagrindus.

Q# nėra paslėptas už baisių dokumentų ir prastai paaiškintų montuotojų sienos. Programuotojai gali jį pasiekti naudodami „Visual Studio“, populiariausia pasaulyje plėtros aplinka. Ir programuotojams nereikia prieigos prie kvantinio kompiuterio, kad galėtų juo naudotis.

Vietoj to, jie gali programuoti taip, tarsi jų kodas veiktų tikrame kvantiniame įrenginyje, bet tada paleis jį virtualiu modeliavimu. Tai įmanoma, nes kvantinis kompiuteris nėra traktuojamas kaip atskira, nepriklausoma sistema, bet vietoj to kaip greitintuvas, kurį naudoja klasikinis kompiuteris, kuriame veikia klasikinis kompiuteris kodas.

„Mes įsivaizduojame, kad kvantinis kompiuteris yra dar vienas Azure šaltinis, šalia GPU, FPGA, ASIC. Azure tampa visu audiniu, kurio skaičiavime yra kvantinis kompiuteris“, – „Digital Trends“ pasakojo Svore.

Dauguma programuotojų yra susipažinę su specialiai sukurtos aparatinės įrangos naudojimu konkrečioms užduotims atlikti, ir dauguma žino, kaip iškviesti išteklius debesyje. Q# paleidimas nesiskiria nuo tų gerai žinomų užduočių. Kvantinė aparatinė įranga gali būti egzotiška ir reta, tačiau programavimo aplinka, kurią Microsoft siūlo Q#, yra tokia tiksliai tai, ką pamatytumėte šiandien, jei pažvelgtumėte per programuotojo petį į didžiausią Fortune 500 įmonių. Tai daro jį daug mažiau bauginantį.

„Pagrindinė vizija yra ta, kad vartotojas nesako: „Gerai, dabar man reikia paimti šią programą ir paleisti ją šioje procesoriaus dalyje, ši dalis čia, ši dalis ten“, – sakė Svore. „Taip yra ir su kvantine kompiuterija. Norime, kad greitintuvas veiktų vientisai.

Kvantinė bendruomenė

Programuotojai gali prisistatyti su Q# naudodamiesi nemokamų vadovėlių rinkiniu, kurį Microsoft vadina Quantum Katas. Kiekviena pamoka apima „užduočių seką tam tikra kvantinio skaičiavimo tema“, kurią programuotojai turi išspręsti. Tikslas yra rasti tinkamą sprendimą, tačiau kelionė yra tokia pat svarbi. Katas nėra skirtos išspręsti vienu praėjimu. Jie moko taikant bandymus ir klaidas, kartu supažindindami programuotojus su kvantinio programavimo pagrindais.

Chrisas Granade'as, „Microsoft“ tyrimų programinės įrangos kūrimo inžinierius, jas pamatė pats, dalyvaudamas Sidnėjaus technologijos universiteto surengtoje mokymo sesijoje. „Buvo tikrai nuostabu stebėti, kaip žmonės gali pereiti nuo nulinių kvantinių žinių iki jų rašymo“, – sakė jis „Digital Trends“. „Permaininga buvo tai, kad kai žmonės nesusiprato, jie dėl to nenukentėjo. Jie galėjo paleisti katas, matyti, kad gavo neteisingą atsakymą, ir tie atsiliepimai tikrai privertė žmones suprasti praktiškai.

Ši praktinė patirtis iš karto paverčia kvantinį skaičiavimą iš teorinės koncepcijos į praktinę realybę, todėl labai skiriasi žmonių požiūris į jį. Programuotojai gali nekurti fizinių objektų, bet jie įpratę matyti grįžtamąjį ryšį kaip ir bet kuris kitas meistras. Jie sukuria daiktą ir jis veikia – arba ne. Q# ir „Quantum Katas“ suteikia tokio lygio grįžtamąjį ryšį į kvantinį programavimą, suteikdami kiekvienam besidominčiam galimybę įsigilinti ir suprasti, ką leidžia kvantinis skaičiavimas.

Pokyčiai, kuriuos Granade pamatė asmeniškai, vyksta ne tik klasėse. „Quantum Development Kit“, kurio dalis yra Q#, gali atsisiųsti bet kas pagal atvirojo kodo licenciją. Suinteresuoti kūrėjai gali ne tik pradėti juo naudotis, bet ir aktyviai prisidėti prie bendruomenės. Svore sakė „Digital Trends“, kad QDK atsisiuntimų skaičius yra „viršutinis dešimtys tūkstančių“ ir dalyvių jau pridėjo „keletą reikšmingų indėlių“, įskaitant naujus algoritmus ir dokumentacija.

Nors vis dar yra niša, šis Quantum Development Kit nuleidžia įėjimo kartelę pakankamai žemai, kad net naujokas programuotojas gali pradėti eksperimentuoti su Q# ir tai darydamas suprasti, kas daro kvantinį skaičiavimą varnele. Tai naudinga ne tik programuotojams, bet ir visai kvantinės fizikos sričiai. Kvantinių teorijų aiškinimas yra didelis galvos skausmas ne tik todėl, kad kvantinis pasaulis yra keistas, palyginti su „klasikiniu“ fizika, kurią žino dauguma programuotojų, bet ir todėl, kad gali būti sunku suprasti praktines kvantinės fizikos pasekmes. demonstruoti.

Klasikiniai kompiuteriai susiduria su dvejetainiais absoliutais. 1 ir 0. Išjungtas arba įjungtas. Kvantas susijęs su tikimybėmis, o kvantų programavimas reiškia algoritmų, manipuliuojančių tikimybėmis, kūrimą, kad gautų teisingą sprendimą. „Jūs žinote, kad ši banga apima mano sprendimą. Šios kitos bangos neapima sprendimo. Taigi, aš noriu, kad tos bangos, kai jos trukdys, išnyktų“, – aiškino Svore. „Ir aš noriu, kad banga, apimanti mano sprendimą, taptų tikrai didelė. Pabaigoje išmatuojame kvantines būsenas. Tikimybė, kad aukštoji banga išnyks, yra didesnė, tuo didesnė ta banga. Taip mes kuriame kvantinius algoritmus.

Ar supranti, ką reiškia Svore?

Jei ne, nesijausk blogai. Tai nėra lengva suvokti ir nelengva pademonstruoti. Netgi minties eksperimentai, skirti supaprastinti kvantinę mechaniką, pavyzdžiui, garsioji Šrodingerio katė, gali priversti jus kasyti galvą.

„Microsoft“ tikisi, kad Q# ir „Quantum Katas“ pasiūlys praktinę alternatyvą šiai temai spręsti. „Jums nereikia žinoti fizikos. Jums nereikia žinoti kvantinės mechanikos. Tiesą sakant, prisipažinsiu, kad kvantinės mechanikos nesimokiau iki mokyklos baigimo“, – sakė Svore. „Įstojau į kvantinį skaičiavimą niekada nesimokau fizikos koledže. Pagal išsilavinimą esu informatikas.

Kvantinis programavimas galėtų tapti įžvalgos langu, suteikiant programuotojams galimybę praktiškai panaudoti kvantines teorijas, neatsisakant įrankių, kuriais jie pasitikėjo. Nereikia metų leisti mokytis fizikos. Tiesiog įeikite, sukurkite programą, kuri naudoja Q#, ir pažiūrėkite, kas atsitiks.

Ruošiasi rytdienai

Šiandien praktinis Q# naudojimas yra ribotas, nes nėra jokios aparatinės įrangos. „Microsoft“ dar nesukūrė kvantinio kompiuterio, ir net jei būtų, būtų per daug primityvu atlikti naudingus skaičiavimus. Tačiau programuotojas gali patikrinti savo darbą paleisdamas Q# imituojamame kvantiniame kompiuteryje. Tai leidžia užkoduoti programą kvantui, pagrįstai tikintis, kad kai tik bus prieinama aparatinė įranga, ji veiks.

Tai labai svarbu. Kvantiniai kompiuteriai yra ne tik geresni šiuolaikiniai kompiuteriai. Jie iš esmės skiriasi. Jiems reikalinga kitokia aparatinė įranga, skirtingi algoritmai ir kitoks požiūris į sudėtingų problemų sprendimą. Net jei keliautojas laiku pasirodytų su funkcionaliu, stabiliu, milijono kubitų kvantiniu kompiuteriu, mums būtų sunku jį panaudoti, lygiai kaip Romos mokslininkai būtų suglumę, jei jiems būtų įteiktas nešiojamasis kompiuteris. 99,9 procentai šiuolaikinių kūrėjų, programuotojų ir kompiuterių mokslininkų neturi jokios kvantų kodavimo patirties ir nesupranta, kaip veikia kvantinė fizika. Prieš padarant įspūdingesnius atradimus, būtina supažindinti su pagrindiniais dalykais.

Mokymas užtruks, tačiau „Microsoft“ Q# yra svarbus žingsnis į priekį.

Redaktorių rekomendacijos

• Dabar „ChatGPT“ gali nemokamai generuoti veikiančius „Windows 11“ raktus
• „Microsoft“ galėjo nepaisyti įspėjimų apie nenuoseklius „Bing Chat“ atsakymus
• „Microsoft“ perspėja, kad Kinijos įsilaužėliai taikosi į kritinę JAV infrastruktūrą
• Dabar galite išbandyti avatarus ir virtualias erdves „Microsoft Teams“.
• „Microsoft Build 2023“: didžiausi pranešimai apie dirbtinį intelektą, „Windows“ ir kt