Microsoft kvantu programmēšanas valoda Q# varētu palīdzēt apgūt kvantu fiziku

Datori kļūs dīvaini.

Pēc teorijas gadu desmitiem pirmie kvantu datori tagad atrodas dažās laboratorijās visā pasaulē. Tie ir elementāri un, iespējams, mazāk praktiski nekā agrīnie elektroniskie datori, piemēram, 50 tonnu ENIAC. Tomēr pētnieki iet uz priekšu. IBM, Google un Intel progresē uz kvantu aparatūras, un praktisks kvantu dators beidzot jūtas kā tuvākās nākotnes realitāte, nevis zinātniskās fantastikas priekšmets.

Tā ir iespēja. Tā ir arī problēma. Kvantu fizika ir dīvaina teleportācijas un varbūtības joma, kas neievēro mums zināmos noteikumus. Lielākā daļa cilvēku nesaprot kvantu mehāniku, un tas ietver programmētājus, cilvēkus, kuriem kvantu datori būs jāpielieto praktiski.

Microsoft plāno viņus izglītot.

Padarot noslēpumu pieejamu

Jebkurš izstrādātājs, kurš vēlas apgūt jaunu programmēšanas valodu, piemēram, C# vai Javascript, vēlas nekavējoties izmantot savas nodarbības. Tomēr kvantu skaitļošanas sākums var to apgrūtināt. Programmas izveide daudzām kvantu ierīcēm līdzinās mēģinājumam rakstīt binārā mašīnkodā, izņemot vēl grūtāk, jo kvantu mehānika. Šī joma nav tikai labi saprotama, bet arī grūti iztulkojama. Tā ir studiju joma, kurā daži pamati joprojām nav zināmi.

Tas ietver iemeslu kāpēc darbojas kvantu datori. "Mums kvantu skaitļošanā ir pierādījumi tam, ka kvantu datori var pārspēt klasiskos datorus." teica Krysta Svore, principu izpētes vadītāja Microsoft Quantum Architectures and Computation grupā. "Svētais Grāls mūsu jomā būtu reāls matemātisks pierādījums tam."

Kvantu skaitļošana ir tik jauna un tik ļoti atšķirīga no jebkā agrāk, ka pat labākie pētnieki paliek tumsā par svarīgiem un fundamentāliem elementiem.

Pagaidām nevar mācīt programmētājiem kodēt kvantus uz reālas aparatūras. Microsoft kvantu programmēšanas valoda Q# novērš šo problēmu, piedāvājot vienkāršu piekļuvi rīkiem, kas nepieciešami programmēšanas sākšanai. Tas nozīmē Q# padarīt pēc iespējas pazīstamāku un pieejamāku, pat ja zinātnieki turpina gūt panākumus kvantu datoru darbības pamatos.

Q# nav noslēpts aiz briesmīgas dokumentācijas un slikti izskaidrotu uzstādītāju sienas. Programmētāji var tai piekļūt, izmantojot Visual Studio, pasaulē populārākā attīstības vide. Un programmētājiem nav nepieciešama piekļuve kvantu datoram, lai to izmantotu.

Tā vietā viņi var programmēt tā, it kā viņu kods darbotos faktiskā kvantu ierīcē, bet pēc tam palaistu to virtuālā simulācijā. Tas ir iespējams, jo kvantu dators netiek uzskatīts par savu pilnīgu, neatkarīgu sistēmu, bet gan kā paātrinātājs, ko izmanto klasiskais dators, kurā darbojas klasiskais dators kodu.

“Mēs paredzam, ka kvantu dators ir vēl viens Azure resurss blakus GPU, FPGA, ASIC, ko izmantot. Azure kļūst par visu šo audumu, kura aprēķinos ir iekļauts kvantu dators,” Svore pastāstīja Digital Trends.

Lielākā daļa programmētāju zina, kā konkrētiem uzdevumiem izmantot speciāli izveidotu aparatūru, un lielākā daļa zina, kā izmantot resursus mākonī. Q# aktivizēšana neatšķiras no šiem labi zināmajiem uzdevumiem. Kvantu aparatūra varētu būt eksotiska un reta, taču Microsoft piedāvātā programmēšanas vide Q# ir tāda tieši to, ko jūs redzētu šodien, ja paskatītos pār programmētāja plecu uz lielāko Fortune 500 kompānijas. Tas padara to daudz mazāk biedējošu.

"Galīgā vīzija ir tāda, ka lietotājs nesaka: "Labi, tagad man ir jāpaņem šī lietotne un jāpalaiž tā šajā CPU daļā, šī daļa šeit, šī daļa tur," sacīja Svore. "Tas pats ir ar kvantu skaitļošanu. Mēs vēlamies, lai paātrinātājs būtu nevainojams.

Kvantu kopiena

Programmētāji var iepazīstināt sevi ar Q#, izmantojot bezmaksas apmācības, ko Microsoft sauc par Quantum Katas. Katra nodarbība ietver "uzdevumu secību par noteiktu kvantu skaitļošanas tēmu", ko programmētājiem ir jārisina. Mērķis ir atrast pareizo risinājumu, taču tikpat svarīgs ir ceļojums. Katas nav paredzētas risināšanai vienā piegājienā. Viņi māca, izmantojot izmēģinājumu un kļūdu metodi, iepazīstinot programmētājus ar kvantu programmēšanas pamatiem.

Kriss Granāds, Microsoft programmatūras izstrādes pētniecības inženieris, tos redzēja pats, apmeklējot Sidnejas Tehnoloģiju universitātes rīkoto apmācību sesiju. “Bija patiešām pārsteidzoši vērot, ka cilvēki no nulles kvantu zināšanām varēja pāriet uz to rakstīšanu,” viņš stāstīja Digital Trends. “Pārveidojoši bija tas, ka, kad cilvēkiem radās pārpratums, viņi no tā necieta. Viņi varēja vadīt katas, viņi varēja redzēt, ka ir saņemta nepareiza atbilde, un šī atgriezeniskā saite patiešām lika cilvēkiem praktiski saprast.

Šī praktiskā pieredze nekavējoties pārveido kvantu skaitļošanu no teorētiskas koncepcijas par praktisku realitāti, kas būtiski ietekmē cilvēku pieeju tai. Programmētāji var neizgatavot fiziskus objektus, taču viņi ir pieraduši redzēt atsauksmes tāpat kā jebkurš cits amatnieks. Viņi rada lietu, un tā darbojas – vai ne. Q# un Quantum Katas sniedz šāda līmeņa atgriezenisko saiti kvantu programmēšanai, dodot ikvienam interesentam iespēju iedziļināties un saprast, ko kvantu skaitļošana padara iespējamu.

Izmaiņas, ko Granāda redzēja klātienē, nenotiek tikai klasēs. Kvantu izstrādes komplektu, kura daļa ir Q#, var lejupielādēt ikviens ar atvērtā pirmkoda licenci. Ieinteresētie izstrādātāji var ne tikai sākt to lietot, bet arī aktīvi dot ieguldījumu kopienas attīstībā. Svore pastāstīja Digital Trends, ka QDK lejupielāžu skaits ir “lielākajos desmitos tūkstošu” un dalībnieku jau ir pievienojuši "dažus būtisku ieguldījumu", tostarp jaunus algoritmus un dokumentācija.

Lai gan šis kvantu izstrādes komplekts joprojām ir niša, tas ir pietiekami zems, lai iekļūtu pat iesācējs programmētājs var sākt eksperimentēt ar Q# un, to darot, sākt saprast, kas padara kvantu skaitļošanu atzīmējiet. Tas ir noderīgi ne tikai programmētājiem, bet arī visai kvantu fizikas jomai. Kvantu teoriju skaidrošana ir lielas galvassāpes ne tikai tāpēc, ka kvantu pasaule ir dīvaina salīdzinājumā ar "klasisko" fizika, ko zina lielākā daļa programmētāju, bet arī tāpēc, ka kvantu fizikas praktiskās sekas var būt sarežģītas. demonstrēt.

Klasiskie datori nodarbojas ar binārajiem absolūtiem. 1s un 0s. Izslēgts vai ieslēgts. Kvanti nodarbojas ar varbūtībām, un kvantu programmēšana nozīmē tādu algoritmu izveidi, kas manipulē ar varbūtībām, lai radītu pareizo risinājumu. "Jūs zināt, ka šis vilnis ietver manu risinājumu. Šie citi viļņi neietver risinājumu. Tāpēc es gribu, lai tie viļņi, kad tie traucē, pazūd,” skaidroja Svore. "Un es vēlos, lai vilnis, kas ietver manu risinājumu, kļūtu patiešām liels. Beigās mēs izmērām kvantu stāvokļus. Augstā viļņa izkļūšanas iespējamība ir lielāka, jo augstāks ir šis vilnis. Tādā veidā mēs izstrādājam kvantu algoritmus.

Vai jūs saprotat, ko Svore domā?

Ja nē, nejūties slikti. To nav viegli aptvert, un to nav viegli parādīt. Pat domu eksperimenti, kuru mērķis ir vienkāršot kvantu mehāniku, piemēram, Šrēdingera slavenais kaķis, var likt jums saskrāpēt galvu.

Microsoft cer, ka Q# un Quantum Katas piedāvās praktisku alternatīvu, lai pievērstos šim jautājumam. "Jums nav jāzina fizika. Jums nav jāzina kvantu mehānika. Patiesībā es atzīstu, ka kvantu mehāniku apguvu tikai pēc skolas beigšanas, ”sacīja Svore. “Es iestājos kvantu skaitļošanā, nekad nemācījos fiziku koledžā. Pēc izglītības esmu datorzinātnieks. ”

Kvantu programmēšana varētu kļūt par ieskatu logu, dodot programmētājiem iespēju praktiski izmantot kvantu teorijas, neatsakoties no rīkiem, uz kuriem viņi ir sākuši paļauties. Nav jātērē gadi fizikas apguvei. Vienkārši ieejiet, izveidojiet lietojumprogrammu, kas izmanto Q#, un skatieties, kas notiek.

Gatavošanās rītdienai

Mūsdienās Q# praktiskā izmantošana ir ierobežota, jo nav aparatūras, ko izmantot. Microsoft vēl nav izveidojis kvantu datoru, un pat ja būtu, būtu pārāk primitīvi veikt noderīgus aprēķinus. Bet programmētājs var pārbaudīt savu darbu, palaižot Q# simulētā kvantu datorā. Tas ļauj kodēt programmu kvantiem ar pamatotu cerību, ka, tiklīdz aparatūra būs pieejama, tā darbosies.

Tas ir būtiski. Kvantu datori nav tikai labāki mūsdienu datori. Tie ir principiāli atšķirīgi. Viņiem ir nepieciešama atšķirīga aparatūra, dažādi algoritmi un atšķirīga pieeja sarežģītu problēmu risināšanai. Pat ja laika ceļotājs parādītos ar funkcionālu, stabilu, miljonu kubitu kvantu datoru, mums būtu grūtības to izmantot, tāpat kā romiešu zinātnieki būtu neizpratnē, ja viņiem tiktu nodots klēpjdators. 99,9 procentiem mūsdienu izstrādātāju, programmētāju un datorzinātnieku nav pieredzes kvantu kodēšanā, un viņiem nav ne jausmas, kā darbojas kvantu fizika. Ir jāiepazīstina ar pamatiem, pirms var izdarīt iespaidīgākus atklājumus.

Mācīšana prasīs laiku, taču Microsoft Q# ir svarīgs solis uz priekšu.

Redaktoru ieteikumi

• ChatGPT tagad var bez maksas ģenerēt strādājošas Windows 11 atslēgas
• Iespējams, korporācija Microsoft ir ignorējusi brīdinājumus par Bing Chat nesaskaņotajām atbildēm
• Ķīnas hakeri vēršas pret kritisko ASV infrastruktūru, brīdina Microsoft
• Tagad programmā Microsoft Teams varat izmēģināt iemiesojumus un virtuālās telpas
• Microsoft Build 2023: lielākie paziņojumi AI, Windows un citur