ภาษาการเขียนโปรแกรมควอนตัมของ Microsoft, Q# สามารถช่วยให้คุณเรียนรู้ฟิสิกส์ควอนตัมได้

คอมพิวเตอร์กำลังจะแปลกไป

หลังจากผ่านไปหลายทศวรรษตามทฤษฎี คอมพิวเตอร์ควอนตัมเครื่องแรกๆ ก็ได้อยู่ในห้องปฏิบัติการที่ได้รับการคัดเลือกไม่กี่แห่งทั่วโลก พวกมันยังเป็นเพียงพื้นฐานและใช้งานได้จริงน้อยกว่าคอมพิวเตอร์อิเล็กทรอนิกส์ยุคแรกๆ เช่น ENIAC ขนาด 50 ตัน แต่นักวิจัยก็มีความก้าวหน้า IBM, Google และ Intel กำลังก้าวหน้า บนฮาร์ดแวร์ควอนตัม และคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ใช้งานได้จริงในที่สุดก็รู้สึกเหมือนเป็นความจริงในอนาคตอันใกล้แทนที่จะเป็นหัวข้อในนิยายวิทยาศาสตร์

นั่นเป็นโอกาส มันก็เป็นปัญหาเช่นกัน ฟิสิกส์ควอนตัมเป็นขอบเขตที่แปลกประหลาดของการเคลื่อนย้ายมวลสารและความน่าจะเป็นที่ไม่เป็นไปตามกฎที่เราคุ้นเคย คนส่วนใหญ่ไม่เข้าใจกลศาสตร์ควอนตัม และนั่นรวมถึงโปรแกรมเมอร์ด้วย ผู้คนที่จะต้องนำคอมพิวเตอร์ควอนตัมไปใช้งานจริง

Microsoft มีแผนที่จะให้ความรู้แก่พวกเขา

ไขปริศนาให้เข้าถึงได้

นักพัฒนาคนใดก็ตามที่ต้องการเรียนรู้ภาษาการเขียนโปรแกรมใหม่ เช่น C# หรือ Javascript ต้องการใช้บทเรียนของเธอทันที แต่วัยเด็กของคอมพิวเตอร์ควอนตัมอาจทำให้เรื่องนั้นยากขึ้น การสร้างโปรแกรมสำหรับอุปกรณ์ควอนตัมจำนวนมากนั้นเหมือนกับการพยายามเขียนโค้ดเครื่องไบนารี ยกเว้นว่ายากกว่านั้นอีก เนื่องจากกลศาสตร์ควอนตัม นี่ไม่ใช่แค่ช่องที่เข้าใจดีแต่แปลยาก เป็นสาขาวิชาที่ยังไม่ทราบปัจจัยพื้นฐานบางประการ

นั่นก็รวมถึงเหตุผลด้วย ทำไม คอมพิวเตอร์ควอนตัมทำงาน “สิ่งที่เรามีในการคำนวณควอนตัมคือข้อพิสูจน์ว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถทำงานได้ดีกว่าคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิก” Krysta Svore ผู้จัดการฝ่ายวิจัยหลักกล่าว ที่กลุ่มสถาปัตยกรรมควอนตัมและการคำนวณของ Microsoft “จอกศักดิ์สิทธิ์ในสาขาของเราจะเป็นข้อพิสูจน์ทางคณิตศาสตร์ที่เกิดขึ้นจริง”

คอมพิวเตอร์ควอนตัมเป็นสิ่งใหม่และไม่เหมือนกับสิ่งใดๆ ก่อนหน้านี้ แม้แต่นักวิจัยชั้นนำก็ยังไม่รู้เกี่ยวกับองค์ประกอบที่สำคัญและพื้นฐาน

การสอนโปรแกรมเมอร์ให้เขียนโค้ดสำหรับควอนตัมบนฮาร์ดแวร์จริงนั้นไม่เป็นปัญหาในตอนนี้ ภาษาการเขียนโปรแกรมควอนตัมของ Microsoft อย่าง Q# ช่วยลดปัญหาดังกล่าวด้วยการเสนอการเข้าถึงเครื่องมือที่จำเป็นในการเริ่มต้นการเขียนโปรแกรมอย่างง่ายดาย นั่นหมายถึงการทำให้ Q# คุ้นเคยและเข้าถึงได้ง่ายที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ แม้ว่าในขณะที่นักวิทยาศาสตร์ยังคงค้นพบความก้าวหน้าในพื้นฐานของวิธีการทำงานของคอมพิวเตอร์ควอนตัมก็ตาม

Q# ไม่ได้ซ่อนอยู่หลังกำแพงที่เต็มไปด้วยเอกสารแย่ๆ และตัวติดตั้งที่อธิบายได้ไม่ดี โปรแกรมเมอร์สามารถเข้าถึงได้ผ่าน Visual Studio สภาพแวดล้อมการพัฒนาที่ได้รับความนิยมมากที่สุดในโลก. และโปรแกรมเมอร์ไม่จำเป็นต้องเข้าถึงคอมพิวเตอร์ควอนตัมเพื่อใช้งาน

แต่พวกเขาสามารถเขียนโปรแกรมราวกับว่าโค้ดของพวกเขาจะทำงานบนอุปกรณ์ควอนตัมจริง แต่จากนั้นก็รันบนการจำลองเสมือน นั่นเป็นไปได้เพราะคอมพิวเตอร์ควอนตัมไม่ถือว่าเป็นระบบอิสระที่สมบูรณ์ของตัวเอง แต่แทนที่จะเป็นตัวเร่งความเร็วที่ถูกเรียกใช้โดยคอมพิวเตอร์คลาสสิกที่ใช้คอมพิวเตอร์คลาสสิกแทน รหัส.

“เราจินตนาการว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมเป็นอีกทรัพยากรหนึ่งใน Azure ถัดจาก GPU, FPGA, ASIC ที่จะใช้ Azure กลายเป็นโครงสร้างทั้งหมดนี้ซึ่งรวมอยู่ในคอมพิวเตอร์ควอนตัมในการคำนวณ” Svore กล่าวกับ Digital Trends

โปรแกรมเมอร์ส่วนใหญ่คุ้นเคยกับการใช้ฮาร์ดแวร์ที่สร้างขึ้นโดยเฉพาะสำหรับงานเฉพาะ และส่วนใหญ่คุ้นเคยกับการใช้ทรัพยากรในระบบคลาวด์ การเริ่มต้นใช้งาน Q# ก็ไม่แตกต่างจากงานที่รู้จักกันดีเหล่านั้น ฮาร์ดแวร์ควอนตัมอาจแปลกใหม่และหายาก แต่สภาพแวดล้อมการเขียนโปรแกรมที่ Microsoft เสนอสำหรับ Q# นั้นเป็นเช่นนั้น สิ่งที่คุณจะได้เห็นในวันนี้อย่างแน่นอนหากคุณมองข้ามโปรแกรมเมอร์ที่ติดอันดับ Fortune 500 บริษัท. นั่นทำให้น่ากลัวน้อยลงมาก

“วิสัยทัศน์สูงสุดคือผู้ใช้ไม่ได้พูดว่า ‘โอเค ตอนนี้ฉันต้องใช้แอปนี้และรันบนส่วนนี้บน CPU ส่วนนี้ตรงนี้ ส่วนนี้ตรงนั้น’” Svore กล่าว “มันก็เหมือนกันกับการคำนวณควอนตัม เราต้องการให้คันเร่งมีความราบรื่น”

ชุมชนควอนตัม

โปรแกรมเมอร์สามารถแนะนำตัวเองกับ Q# ผ่านชุดบทช่วยสอนฟรีที่ Microsoft เรียกว่า Quantum Katas แต่ละบทเรียนเกี่ยวข้องกับ "ลำดับงานในหัวข้อการคำนวณควอนตัม" ที่โปรแกรมเมอร์ถูกท้าทายให้แก้ไข การค้นหาวิธีแก้ปัญหาที่ถูกต้องคือเป้าหมาย แต่การเดินทางก็มีความสำคัญไม่แพ้กัน กะตะไม่ได้ถูกกำหนดให้แก้ไขด้วยการผ่านครั้งเดียว พวกเขาสอนผ่านการลองผิดลองถูก โดยแนะนำโปรแกรมเมอร์ให้รู้จักพื้นฐานของการเขียนโปรแกรมควอนตัมไปพร้อมกัน

Chris Granade วิศวกรฝ่ายพัฒนาซอฟต์แวร์ด้านการวิจัยของ Microsoft ได้พบเห็นพวกเขาด้วยตนเองขณะเข้าร่วมเซสชันการสอนที่จัดโดยมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีซิดนีย์ “มันน่าทึ่งมากที่ได้เห็นว่าผู้คนสามารถเปลี่ยนจากความรู้เป็นศูนย์ในด้านควอนตัมไปเป็นการเขียน” เขาบอกกับ Digital Trends “สิ่งที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงก็คือเมื่อผู้คนมีความเข้าใจผิด พวกเขาก็ไม่ทุกข์กับมัน พวกเขาสามารถจัดการกะตะ พวกเขามองเห็นคำตอบที่ผิด และคำติชมนั้นทำให้ผู้คนเข้าใจจากการลงมือปฏิบัติจริงๆ”

ประสบการณ์ตรงดังกล่าวจะเปลี่ยนการคำนวณควอนตัมจากแนวคิดเชิงทฤษฎีไปสู่ความเป็นจริงในทางปฏิบัติในทันที ซึ่งสร้างความแตกต่างให้กับวิธีที่ผู้คนเข้าถึงแนวคิดดังกล่าว โปรแกรมเมอร์อาจไม่สร้างวัตถุทางกายภาพ แต่พวกเขาจะคุ้นเคยกับการเห็นคำติชมเช่นเดียวกับช่างฝีมือคนอื่นๆ พวกเขาสร้างสิ่งใดสิ่งหนึ่งขึ้นมาและมันได้ผล หรือไม่ก็ได้ Q# และ Quantum Katas นำความคิดเห็นในระดับนั้นมาสู่การเขียนโปรแกรมควอนตัม โดยเปิดโอกาสให้ทุกคนที่สนใจได้เจาะลึกและทำความเข้าใจว่าการประมวลผลควอนตัมทำให้เป็นไปได้ได้อย่างไร

การเปลี่ยนแปลงที่ Granade เห็นด้วยตนเองไม่ได้เกิดขึ้นในห้องเรียนเท่านั้น Quantum Development Kit ซึ่งมี Q# เป็นส่วนหนึ่ง สามารถดาวน์โหลดได้โดยใครก็ตามภายใต้ใบอนุญาตโอเพ่นซอร์ส นักพัฒนาที่สนใจไม่เพียงแต่สามารถเริ่มใช้งานได้เท่านั้น แต่ยังมีส่วนร่วมอย่างแข็งขันต่อชุมชนอีกด้วย Svore บอกกับ Digital Trends ว่า QDK ดาวน์โหลดตัวเลขเป็น "หลักหมื่น" และผู้เข้าร่วม ได้เพิ่ม "การมีส่วนร่วมที่สำคัญจำนวนหนึ่ง" แล้ว รวมถึงอัลกอริธึมใหม่และ เอกสารประกอบ

แม้จะเป็นเพียงกลุ่มเฉพาะ แต่ชุดพัฒนาควอนตัมนี้วางเกณฑ์การเข้าถึงให้ต่ำพอที่แม้แต่มือใหม่ โปรแกรมเมอร์สามารถเริ่มทดลองด้วย Q# และเริ่มทำความเข้าใจว่าอะไรคือสิ่งที่ทำให้เกิดการคำนวณควอนตัม ติ๊ก สิ่งนี้มีประโยชน์ไม่เพียงแต่สำหรับโปรแกรมเมอร์เท่านั้น แต่ยังมีประโยชน์กับสาขาฟิสิกส์ควอนตัมทั้งหมดอีกด้วย การอธิบายทฤษฎีควอนตัมเป็นเรื่องที่น่าปวดหัวไม่เพียงเพราะโลกควอนตัมนั้นแปลกเมื่อเทียบกับโลก "คลาสสิก" ฟิสิกส์ที่โปรแกรมเมอร์ส่วนใหญ่รู้ แต่ก็เป็นเพราะผลเชิงปฏิบัติของฟิสิกส์ควอนตัมอาจทำได้ยาก สาธิต.

คอมพิวเตอร์คลาสสิกจัดการกับค่าสัมบูรณ์แบบไบนารี 1 วินาทีและ 0 วินาที ปิดหรือเปิด ควอนตัมเกี่ยวข้องกับความน่าจะเป็น และการเขียนโปรแกรมสำหรับควอนตัมหมายถึงการสร้างอัลกอริธึมที่จัดการความน่าจะเป็นเพื่อสร้างโซลูชันที่ถูกต้อง “คุณรู้ว่าคลื่นลูกนี้รวมถึงโซลูชันของฉันด้วย คลื่นอื่นๆ เหล่านี้ไม่รวมวิธีแก้ปัญหา ดังนั้น ฉันต้องการให้คลื่นเหล่านั้นเมื่อมันเข้ามารบกวนหายไป” สวอร์อธิบาย “และฉันต้องการให้เกิดคลื่นลูกใหญ่ซึ่งรวมถึงโซลูชันของฉันให้ใหญ่โตมาก ในตอนท้าย เราจะวัดสถานะควอนตัม ความน่าจะเป็นที่จะดึงคลื่นสูงออกมานั้นมีแนวโน้มมากขึ้นตามคลื่นนั้นที่สูงขึ้น นั่นคือวิธีที่เราออกแบบอัลกอริธึมควอนตัม”

คุณเข้าใจความหมายของสโวเรหรือไม่?

ถ้าไม่ก็อย่ารู้สึกแย่ มันไม่ง่ายเลยที่จะเข้าใจ และมันไม่ง่ายเลยที่จะแสดงให้เห็น แม้แต่การทดลองที่คิดว่ามีจุดมุ่งหมายเพื่อลดความซับซ้อนของกลศาสตร์ควอนตัม เช่น แมวชื่อดังของชโรดิงเงอร์ ก็อาจทำให้คุณต้องเกาหัวได้

Microsoft หวังว่า Q# และ Quantum Katas จะเสนอทางเลือกที่ลงมือปฏิบัติจริงในการเข้าถึงหัวข้อนี้ “คุณไม่จำเป็นต้องรู้ฟิสิกส์ คุณไม่จำเป็นต้องรู้กลศาสตร์ควอนตัม ในความเป็นจริง ฉันยอมรับว่าฉันไม่ได้เรียนกลศาสตร์ควอนตัมจนกว่าจะสำเร็จการศึกษา” Svore กล่าว “ฉันเข้าสู่คอมพิวเตอร์ควอนตัมโดยไม่เคยเรียนวิชาฟิสิกส์ในวิทยาลัยเลย ฉันเป็นนักวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์โดยการฝึกอบรม”

การเขียนโปรแกรมควอนตัมอาจกลายเป็นหน้าต่างแห่งความเข้าใจโดยเปิดโอกาสให้โปรแกรมเมอร์ได้ใช้ทฤษฎีควอนตัมในทางปฏิบัติโดยไม่ต้องละทิ้งเครื่องมือที่พวกเขาต้องพึ่งพา ไม่จำเป็นต้องใช้เวลาหลายปีในการเรียนรู้ฟิสิกส์ เพียงเข้าไปสร้างแอปพลิเคชันที่ใช้ Q# และดูว่าเกิดอะไรขึ้น

เตรียมความพร้อมสำหรับวันพรุ่งนี้

การใช้งานจริงของ Q# ในปัจจุบันมีจำกัด เนื่องจากไม่มีฮาร์ดแวร์ให้เรียกใช้ Microsoft ยังไม่ได้สร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมและแม้ว่าจะมี มันก็จะดูดั้งเดิมเกินไปที่จะดำเนินการคำนวณที่เป็นประโยชน์ แต่โปรแกรมเมอร์สามารถตรวจสอบงานของตนได้ด้วยการรัน Q# บนคอมพิวเตอร์ควอนตัมจำลอง นั่นทำให้สามารถเขียนโค้ดโปรแกรมสำหรับควอนตัมได้ด้วยความคาดหวังที่สมเหตุสมผลว่าเมื่อฮาร์ดแวร์พร้อมใช้งานก็จะทำงานได้

นั่นเป็นสิ่งสำคัญ คอมพิวเตอร์ควอนตัมไม่ได้เป็นเพียงพีซียุคใหม่ที่ดีกว่าเท่านั้น พวกเขามีความแตกต่างกันโดยพื้นฐาน พวกเขาต้องการฮาร์ดแวร์ที่แตกต่างกัน อัลกอริธึมที่แตกต่างกัน และแนวทางที่แตกต่างกันในการแก้ปัญหาที่ซับซ้อน แม้ว่านักเดินทางข้ามเวลาจะปรากฏตัวพร้อมกับคอมพิวเตอร์ควอนตัมล้านคิวบิตที่ใช้งานได้และเสถียร เราก็จะประสบปัญหาในการใช้งาน เช่นเดียวกับที่นักวิชาการชาวโรมันจะสับสนหากยื่นแล็ปท็อปให้ 99.9 เปอร์เซ็นต์ของนักพัฒนา โปรแกรมเมอร์ และนักวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์ยุคใหม่ไม่มีประสบการณ์ในการเขียนโค้ดควอนตัม และไม่มีเบาะแสว่าฟิสิกส์ควอนตัมทำงานอย่างไร จะต้องแนะนำพื้นฐานก่อนจึงจะสามารถค้นพบสิ่งที่น่าประทับใจยิ่งขึ้นได้

การสอนที่ต้องใช้เวลา แต่ Q# ของ Microsoft ถือเป็นก้าวสำคัญ

คำแนะนำของบรรณาธิการ

• ChatGPT สามารถสร้างคีย์ Windows 11 ที่ใช้งานได้ฟรีแล้ว
• Microsoft อาจเพิกเฉยต่อคำเตือนเกี่ยวกับการตอบสนองที่ไม่เหมาะสมของ Bing Chat
• แฮกเกอร์ชาวจีนมุ่งเป้าไปที่โครงสร้างพื้นฐานที่สำคัญของสหรัฐฯ Microsoft เตือน
• ตอนนี้คุณสามารถลองใช้อวตารและพื้นที่เสมือนใน Microsoft Teams ได้แล้ว
• Microsoft Build 2023: ประกาศที่ใหญ่ที่สุดใน AI, Windows และอื่นๆ