Microsofts Quantum Programming Language, Q#, kan hjelpe deg med å lære kvantefysikk

Datamaskiner er i ferd med å bli rare.

Etter flere tiår som teori, sitter de første kvantedatamaskinene nå i noen utvalgte laboratorier over hele kloden. De er rudimentære og uten tvil mindre praktiske enn tidlige elektroniske datamaskiner som 50-tonns ENIAC. Likevel er forskerne på vei. IBM, Google og Intel gjør fremskritt på kvantemaskinvare, og en praktisk kvantedatamaskin føles endelig som en nær fremtid i stedet for et science fiction-fag.

Det er en mulighet. Det er også et problem. Kvantefysikk er et merkelig område av teleportering og sannsynlighet som ikke følger reglene vi er kjent med. De fleste forstår ikke kvantemekanikk, og det inkluderer programmerere, menneskene som trenger å sette kvantedatamaskiner til praktisk bruk.

Microsoft har en plan for å utdanne dem.

Gjør mysteriet tilgjengelig

Enhver utvikler som ønsker å lære et nytt programmeringsspråk, som C# eller Javascript, ønsker å umiddelbart bruke leksjonene hennes. Likevel kan kvanteberegningens barndom gjøre det vanskelig. Å lage et program for mange kvanteenheter er mye som å prøve å skrive i binær maskinkode – bortsett fra enda vanskeligere, fordi kvantemekanikk. Dette er ikke bare et felt som er godt forstått, men vanskelig å oversette. Det er et studieområde der noen grunnleggende forblir ukjente.

Det inkluderer grunnen Hvorfor kvantedatamaskiner fungerer. "Det vi har innen kvantedatabehandling er bevis på at kvantedatamaskiner kan utkonkurrere klassiske datamaskiner," sa Krysta Svore, prinsipiell forskningsleder hos Microsofts Quantum Architectures and Computation-gruppe. "Den hellige gral i vårt felt ville være et faktisk matematisk bevis på det."

Kvantedatabehandling er så nytt, og så ulikt noe tidligere, at selv toppforskere forblir i mørket om viktige og grunnleggende elementer.

Å lære programmerere å kode for kvante på ekte maskinvare er foreløpig uaktuelt. Microsofts kvanteprogrammeringsspråk, Q#, omgår dette problemet ved å tilby enkel tilgang til verktøyene som trengs for å begynne å programmere. Det betyr å gjøre Q# så kjent og tilgjengelig som mulig, selv mens forskere fortsetter å gjøre gjennombrudd i det grunnleggende om hvordan kvantedatamaskiner fungerer.

Q# er ikke gjemt bak en vegg av forferdelig dokumentasjon og dårlig forklarte installatører. Programmerere kan få tilgang til det gjennom Visual Studio, verdens mest populære utviklingsmiljø. Og programmerere trenger ikke tilgang til en kvantedatamaskin for å bruke den.

I stedet kan de programmere som om koden deres ville kjøre på en faktisk kvanteenhet, men deretter kjøre den på en virtuell simulering. Det er mulig fordi kvantedatamaskinen ikke blir behandlet som sitt eget komplette, uavhengige system, men i stedet som en akselerator som aktiveres av en klassisk datamaskin som kjører en klassisk datamaskin kode.

«Vi ser for oss at kvantedatamaskinen er en annen ressurs i Azure, ved siden av GPU, FPGA, ASIC, som skal brukes. Azure blir hele dette stoffet som inkluderer en kvantedatamaskin, sier Svore til Digital Trends.

De fleste programmerere er kjent med å bruke spesialbygd maskinvare for spesifikke oppgaver, og de fleste er kjent med å bruke ressurser i skyen. Å fyre opp Q# er ikke forskjellig fra de velkjente oppgavene. Kvantemaskinvare kan være eksotisk og sjelden, men programmeringsmiljøet Microsoft tilbyr for Q# er det akkurat det du ville sett i dag hvis du så over skulderen til en programmerer på det meste Fortune 500 selskaper. Det gjør det langt mindre skremmende.

"Den ultimate visjonen er at brukeren ikke sier "Ok, nå må jeg ta denne appen og kjøre den på denne delen på CPU, denne delen her, denne delen der," sa Svore. "Det er det samme med kvanteberegning. Vi vil at akseleratoren skal være sømløs.»

Et kvantesamfunn

Programmerere kan presentere seg for Q# gjennom et sett med gratis opplæringsprogrammer som Microsoft kaller Quantum Katas. Hver leksjon involverer "en sekvens av oppgaver om et bestemt kvanteberegningsemne" som programmerere blir utfordret til å løse. Å finne den riktige løsningen er målet, men reisen er like viktig. Kataene er ikke ment å løses i et enkelt pass. De underviser gjennom prøving og feiling, og introduserer programmerere til det grunnleggende om kvanteprogrammering underveis.

Chris Granade, en forskningsprogramvareutviklingsingeniør hos Microsoft, så dem selv mens han deltok på en opplæringsøkt arrangert av University of Technology Sydney. "Det var virkelig fantastisk å se at folk kunne gå fra null kunnskap i kvante, til å skrive det," sa han til Digital Trends. "Det som var transformativt, var at når folk hadde en misforståelse, led de ikke med det. De kunne kjøre kataene, de kunne se at de fikk feil svar, og den tilbakemeldingen fikk folk virkelig til å forstå på en praktisk måte.»

Denne praktiske erfaringen transformerer umiddelbart kvantedatabehandling fra et teoretisk konsept til en praktisk virkelighet, noe som utgjør hele forskjellen i hvordan folk nærmer seg det. Programmerere lager kanskje ikke fysiske gjenstander, men de er vant til å se tilbakemeldinger akkurat som alle andre håndverkere. De skaper en ting og det fungerer – eller det gjør det ikke. Q# og Quantum Katas gir dette nivået av tilbakemelding til kvanteprogrammering, og gir alle som er interessert en sjanse til å grave i og forstå hva kvantedatabehandling gjør mulig.

Endringen Granade så personlig, skjer ikke bare i klasserommene. Quantum Development Kit, som Q# er en del av, kan lastes ned av alle under en åpen kildekode-lisens. Interesserte utviklere kan ikke bare begynne å bruke det, men aktivt bidra til fellesskapet. Svore fortalte Digital Trends at QDK-nedlastinger er "de øvre titusenvis", og deltakere har allerede lagt til «en håndfull betydelige bidrag», inkludert nye algoritmer og dokumentasjon.

Selv om det fortsatt er en nisje, plasserer dette Quantum Development Kit grensesnittet lavt nok til at selv en nybegynner programmerer kan begynne å eksperimentere med Q# og, ved å gjøre det, begynne å forstå hva som gjør kvanteberegning sett kryss. Det er nyttig ikke bare for programmerere, men for hele feltet av kvantefysikk. Å forklare kvanteteorier er en stor hodepine, ikke bare fordi kvanteverdenen er merkelig sammenlignet med den "klassiske" fysikk de fleste programmerere kan, men også fordi de praktiske implikasjonene av kvantefysikk kan være vanskelig å demonstrere.

Klassiske datamaskiner håndterer binære absolutter. 1s og 0s. Av eller på. Kvante omhandler sannsynligheter, og programmering for kvante betyr å lage algoritmer som manipulerer sannsynligheter for å produsere den riktige løsningen. "Du vet at denne bølgen inkluderer min løsning. Disse andre bølgene inkluderer ikke en løsning. Så jeg vil at de bølgene, når de forstyrrer, skal forsvinne,» forklarte Svore. "Og jeg vil at bølgen som inkluderer løsningen min skal bli virkelig stor. På slutten måler vi kvantetilstandene. Sannsynligheten for å få den høye bølgen ut er mer sannsynlig jo høyere bølgen er. Det er slik vi designer kvantealgoritmer."

Forstår du hva Svore mener?

Hvis ikke, ikke føl deg dårlig. Det er ikke lett å forstå, og det er ikke lett å demonstrere. Selv tankeeksperimenter ment å forenkle kvantemekanikken, som Schrodingers berømte katt, kan få deg til å klø deg i hodet.

Microsoft håper at Q#, og Quantum Katas, vil tilby et praktisk alternativ for å nærme seg emnet. "Du trenger ikke å kunne fysikken. Du trenger ikke å kunne kvantemekanikken. Faktisk skal jeg innrømme at jeg ikke tok kvantemekanikk før jeg tok eksamen," sa Svore. "Jeg begynte i kvantedatabehandling uten noen gang å ta fysikk på college. Jeg er informatiker av utdannelse.»

Kvanteprogrammering kan bli et innsiktsvindu ved å gi programmerere en sjanse til å gjøre praktisk bruk av kvanteteorier uten å miste verktøyene de har kommet til å stole på. Det er ikke nødvendig å bruke år på å lære fysikk. Bare hopp inn, lag en applikasjon som bruker Q#, og se hva som skjer.

Forbereder til morgendagen

Dagens praktiske bruk av Q# er begrenset fordi det ikke er noen maskinvare å bruke. Microsoft har ikke bygget en kvantedatamaskin ennå, og selv om det hadde vært det, ville det være for primitivt å utføre nyttige beregninger. Men en programmerer kan sjekke arbeidet sitt ved å kjøre Q# på en simulert kvantedatamaskin. Det gjør det mulig å kode et program for kvante med en rimelig forventning om at når maskinvaren er tilgjengelig, vil den fungere.

Det er avgjørende. Kvantedatamaskiner er ikke bare en bedre moderne PC. De er fundamentalt forskjellige. De krever forskjellig maskinvare, forskjellige algoritmer og en annen tilnærming til å løse komplekse problemer. Selv om en tidsreisende dukket opp med en funksjonell, stabil kvantedatamaskin på millioner qubit, ville vi ha problemer med å ta den i bruk, akkurat som romerske lærde ville bli forvirret hvis de fikk en bærbar datamaskin. 99,9 prosent av moderne utviklere, programmerere og datavitere har null erfaring med koding for kvante, og ingen anelse om hvordan kvantefysikk fungerer. Det grunnleggende må introduseres før flere imponerende funn kan gjøres.

Undervisning som vil ta tid – men Microsofts Q# er et viktig skritt fremover.

Redaktørenes anbefalinger

• ChatGPT kan nå generere fungerende Windows 11-nøkler gratis
• Microsoft kan ha ignorert advarsler om Bing Chats uhengslede svar
• Kinesiske hackere retter seg mot kritisk amerikansk infrastruktur, advarer Microsoft
• Du kan nå prøve ut avatarer og virtuelle rom i Microsoft Teams
• Microsoft Build 2023: de største kunngjøringene innen AI, Windows og mer