Co je Azure Quantum?

Azure Quantum je cloudová kvantová výpočetní služba Azure s různorodou sadou kvantových řešení a technologií. Azure Quantum zajišťuje otevřenou, flexibilní a budoucí cestu ke kvantovým výpočtům, která se přizpůsobí vašemu způsobu práce, zrychluje váš pokrok a chrání vaše investice do technologií.

Azure Quantum poskytuje nejlepší vývojové prostředí pro vytváření kvantových algoritmů pro více platforem najednou při zachování flexibility při ladění stejných algoritmů pro konkrétní systémy. Kód můžete napsat jednou a spustit ho s malou nebo žádnou změnou oproti více targets členům stejné rodiny, což vám umožní zaměřit programování na úrovni algoritmu.

  • Otevřený ekosystém, který vám umožní přístup k různorodému kvantovému softwaru, hardwaru a řešení od Microsoftu a jejích partnerů. Můžete si vybrat z kvantových programovacích jazyků, jako jsou Qiskit, Cirq a Q#, a spouštět algoritmy v několika kvantových systémech.
  • Kvantový dopad dnes, což vám umožní současně prozkoumat dnešní kvantové systémy a být připraveni na škálované kvantové systémy budoucnosti a s předem sestavenými řešeními, která běží na klasických a zrychlených výpočetních prostředcích (označovaných také jako optimalizační řešení).

Tip

Pokud nemáte účet Azure, zaregistrujte se zdarma a zaregistrujte si předplatné s průběžným platbou. Pokud jste student, můžete využít bezplatný účet Azure pro studenty.

Části Azure Quantum

Se službou Azure Quantum můžete využít výhody kvantových výpočtů v dnešním plně otevřeném cloudovém ekosystému s přístupem k softwaru, hardwaru a předem připraveným řešením. Azure Quantum nabízí dva typy kvantových řešení: kvantové výpočty a optimalizaci.

Kvantové výpočty

Pokud se snažíte simulovat kvantové mechanické problémy, jako jsou chemické reakce, biologické reakce nebo formace materiálu, kvantové počítače fungují výjimečně dobře, protože při výpočtu využívají kvantové jevy. Kvantové počítače mohou také pomoci urychlit pokrok v různých oblastech, jako jsou finanční služby, strojové učení a nestrukturované vyhledávání dat, kde je potřeba hodně výpočtů.

S Azure Quantum mohou výzkumní pracovníci a firmy pomocí kvantových výpočtů modelovat složité scénáře v oblasti řízení rizik, kybernetické bezpečnosti, analýzy sítí, vyhledávání dat, vývoje vakcín nebo vědy o materiálech. Další informace o používání kvantových výpočtů a kvantových algoritmů najdete v tématu Principy kvantových výpočtů.

Optimalizace

Desetiletí simulace kvantových efektů na klasických počítačích vedla k vývoji nových typů kvantových řešení s názvem optimalizace inspirovaná kvantovou mechanikou. Optimalizace je proces hledání nejlepšího řešení problému vzhledem k jeho požadovanému výsledku a omezením. Komplexní problémy optimalizace existují ve všech odvětvích: směrování vozidel, správa dodavatelského řetězce, plánování, optimalizace portfolia, správa rozvodné sítě a mnoho dalších. Řešení těchto reálných problémů má za následek výhody vysoké hodnoty, jako jsou snížení nákladů, zrychlené procesy nebo snížení rizik.

Algoritmy optimalizace inspirované kvantovou mechanikou využívají některé z výhod kvantových výpočtů na klasickém hardwaru a poskytují zrychlení oproti tradičním přístupům.

Azure Quantum poskytuje přístup k široké škále nejmodernějších optimalizačních algoritmů inspirovaných kvantovou mechanikou, které vyvinul Microsoft a jeho partneři. Další informace o řešeních optimalizace ve službě Azure Quantum najdete v tématu Co je optimalizace?.

Jak začít používat Azure Quantum?

Tip

První uživatelé automaticky získají bezplatné kredity Azure Quantumv hodnotě 500 USD pro použití u každého zúčastněného poskytovatele kvantového hardwaru. Pokud jste využili všechny kredity a potřebujete víc, můžete se přihlásit do programu Azure Quantum Credits.

Začít používat Azure Quantum je pro nové uživatele velmi snadné a bezplatné. K odeslání kvantových programů a optimalizačních řešení do Azure Quantum potřebujete jenom dvě věci:

  1. Účet Azure: Pokud nemáte účet Azure, zaregistrujte se zdarma a zaregistrujte si předplatné s průběžným platbou.
  2. Pracovní prostor Azure Quantum: Pracovní prostor Azure Quantum je kolekce prostředků přidružených ke spouštění kvantových nebo optimalizačních aplikací. Pokud chcete vytvořit pracovní prostor Azure Quantum, přejděte na Azure Portal, vyberte Rychlé vytvoření a automaticky vytvoří pracovní prostor a přidá výchozí zprostředkovatele. Nebo vyberte Vytvořit předem, zadejte podrobnosti o pracovním prostoru a zvolte poskytovatele.

Další informace najdete v tématu Vytvoření pracovního prostoru Azure Quantum.

Odhad prostředků v kvantových výpočtech

V kvantových výpočtech je odhad prostředků schopnost porozumět prostředkům, tj. počtu qubitů, počtu kvantových bran, času zpracování atd., které budou pro daný algoritmus vyžadovány za předpokladu (nebo jako parametrů) určitých vlastností hardwaru. Pochopení počtu qubitů potřebných pro kvantové řešení a rozdílů mezi technologiemi qubitů umožňuje inovátorům připravit a zpřesnit jejich kvantová řešení tak, aby běžela na budoucích škálovaných kvantových počítačích a nakonec urychlila jejich kvantový dopad.

Azure Quantum nabízí odhad target prostředků první strany, který vypočítá a vypíše dobu provádění hodin na zdi a odhady fyzických prostředků pro program za předpokladu, že je spuštěný na kvantovém počítači odolném proti chybám. Nástroj Azure Quantum Resource Estimator navržený speciálně pro škálované kvantové systémy (systémy odolné proti chybám po NISQ) umožňuje vyhodnotit rozhodnutí o architektuře, porovnat technologie qubitů a určit prostředky potřebné k provedení daného kvantového algoritmu. Můžete si vybrat z předdefinovaných protokolů odolných proti chybám a zadat předpoklady základního modelu fyzických qubitů.

Nástroj Azure Quantum Resource Estimator vypočítává odhad fyzických prostředků po rozložení tím, že bere v úvahu předpoklady o parametrech qubitu, kódech oprav kvantových chyb (QEC) a rozpočtu chyb. Jako vstup přijímá Quantum Intermediate Representation program (QIR), a proto podporuje jakýkoli jazyk, který se překládá na QIR. Můžete například použít nástroj Azure Quantum Resource Estimator s oblíbenými kvantovými sadami SDK a jazyky, jako jsou Q# a Qiskit.

Nástroj Azure Quantum Resource Estimator přijímá sadu vstupů s předdefinované hodnoty, abyste mohli snadno začít:

  • Parametry fyzického qubitu
  • Schéma QEC (Quantum Error Correction)
  • Rozpočet chyby

Další informace najdete na stránce s referenčními informacemi o nástroji Azure Quantum Resource Estimator .

Co jsou Q# a ?Quantum Development Kit

Sada Microsoft Quantum Development Kit (QDK) je sada SDK potřebná pro rozhraní se službou Azure Quantum. Sadu QDK můžete nainstalovat místně do počítače nebo ji použít jako předinstalovanou komponentu v bezplatných hostovaných poznámkových blocích Jupyter, které jsou součástí služby Azure Quantum.

Sada QDK zahrnuje kvantový programovací jazyk Q#, opensourcový programovací jazyk vysoké úrovně, který umožňuje zaměřit se na vytváření kvantových programů na úrovni algoritmu a aplikace.

Parametr Quantum Development Kit nahraďte názvem sestavy.

Sada QDK nabízí sadu nástrojů, které vám pomůžou s procesem vývoje kvantového softwaru a které je možné používat samostatně nezávisle na službě Azure Quantum:

Poznámka

Azure Quantum je flexibilní ekosystém. Kód Pythonu můžete v Azure Quantum spouštět bez explicitního volání jakéhokoli kódu Q#, například odesílání okruhů Qiskit nebo Cirq nebo odesílání problémů s optimalizací. Pokud chcete tyto funkce používat, musíte nainstalovat balíček azure-quantum Python.

Kvantový programovací jazyk Q #

Proč kvantový programovací jazyk? Stručně řečeno, protože chcete psát algoritmy, ne okruhy.

Kvantový program lze považovat za konkrétní sadu klasických podprogramů, které při zavolání provádějí výpočty interakcí s kvantovým systémem; Program napsaný v jazyce Q# nemodeluje přímo kvantový stav, ale spíše popisuje, jak klasický řídicí počítač komunikuje s qubity. To vám umožní být zcela nezávislí na tom, jaký kvantový stav je na každém target počítači, což může mít různé interpretace v závislosti na počítači. Kód můžete napsat jednou a beze změny ho spustit proti několika targets členům stejné rodiny, což vám umožní zaměřit se na programování na úrovni algoritmu.

Kvantové programy můžete vyvíjet pomocí jazyka Q# nebo Pythonu na portálu Azure Quantum pomocí jupyter Notebooks nebo vyvíjet v místním prostředí pomocí svého oblíbeného integrovaného vývojového prostředí(IDE). Buď prostředí umožňuje odesílat úlohy na kvantový hardware prostřednictvím služby Azure Quantum, nebo používat cloudové nebo místní kvantové simulátory. Další informace najdete v různých způsobech spuštění programu v jazyce Q#.

Pracovní postup vývoje kvantového softwaru

Azure Quantum poskytuje nejlepší vývojové prostředí pro vytváření kvantových algoritmů pro více platforem najednou při zachování flexibility při ladění stejných algoritmů pro konkrétní systémy. Můžete si vybrat z kvantových programovacích jazyků, jako jsou Qiskit, Cirq a Q#, a spouštět algoritmy v několika kvantových systémech. Se službou Azure Quantum můžete snadno prozkoumat současné kvantové systémy a být připraveni na škálované kvantové systémy budoucnosti.

Následující diagram znázorňuje fáze, kterými kvantový program prochází od nápadu k dokončení implementace v Azure Quantum, a nástroje, které QDK nabízí pro každou fázi.

Pracovní postup qdk

  1. Napište svůj kvantový kód. Program v Q# můžete napsat pomocí hostovaných poznámkových bloků Jupyter, které jsou k dispozici ve vašem pracovním prostoru Azure Quantum. Pokud dáváte přednost místnímu vývojovému prostředí, můžete svůj program v Q# vytvořit pomocí rozšíření QDK pro Visual Studio, Visual Studio Code nebo Jupyter Notebooks.

  2. Pomocí knihoven udržujte kód na vysoké úrovni. Kvantové knihovny vám pomůžou udržet váš kód na vysoké úrovni a provádět spoustu náročných kroků v implementaci, abyste se mohli soustředit na logiku svých algoritmů.

  3. Integrace s klasickým softwarem Umožňuje Quantum Development Kitintegrovat programy v Q# s Pythonem a .NET a vývojáři kvantového softwaru tak mohou využít řadu pokroků v klasickém computingu za posledních 70 let. Můžete také znovu použít a odeslat stávající zdrojový kód Qiskit a Cirq beze změny.

  4. Spusťte kvantový kód v simulaci. Po napsání programu budete chtít používat kvantové simulátory – klasické programy, které simulují chování kvantového systému, abyste mohli spustit malou instanci programu a zjistit, co dělá bez skutečného přístupu k hardwaru.

  5. Odhad prostředků. Před spuštěním na kvantovém hardwaru budete muset zjistit, jestli váš program může běžet na existujícím hardwaru. Pomocí nástroje Azure Quantum Resource Estimator můžete zjistit, jaké odhady fyzických prostředků potřebujete a jak dlouho bude program trvat.

  6. Spusťte kód na kvantovém hardwaru. Posledním krokem je použití Azure Quantum ke spuštění programu na kvantovém hardwaru.

Poznámka

Pro všechny kroky pracovního postupu použijete stejný kód jazyka Q#. V krátkodobém horizontu možná budete muset některé části kódu upravit, aby se zohlednila aktuální hardwarová omezení. V dlouhodobém horizontu ale budete moct přepínat mezi různými simulátory a poskytovateli hardwaru bez jakýchkoli úprav kódu.

Poskytovatelé, kteří jsou k dispozici v Azure Quantum

Azure Quantum nabízí některé z nejpřesvědčivějších a nejrozmanitějších kvantových prostředků, které jsou dnes k dispozici od vedoucích pracovníků v oboru. Azure Quantum v současné době spolupracuje s následujícími poskytovateli, kteří vám umožní spouštět kvantové programy v Q# na skutečném hardwaru a možnost testovat kód na simulovaných kvantových počítačích.

Poskytovatelé kvantových výpočtů

Vyberte poskytovatele, který nejlépe vyhovuje charakteristikám vašeho problému a vašim potřebám.

  • Quantinuum: Systém zachycených iontů s vysokou věrností, plně připojenými qubity, nízkou mírou chyb, opětovným použitím qubitů a schopností provádět měření mezi okruhy.
  • IONQ: Dynamicky rekonfigurovatelný kvantový počítač s zachycenými ionty pro až 11 plně připojených qubitů, který umožňuje spustit dvou qubitovou bránu mezi libovolným párem.
  • Rigetti: Supervodivé procesory založené na bráně, které využívají Quantum Intermediate Representation (QIR) k zajištění nízké latence a paralelního provádění.
  • Pasqal: Neutrální kvantové procesory založené na atomech pracují při pokojové teplotě, s dlouhými dobami soudržnosti a působivým připojením qubitů. Ještě dnes se můžete předem zaregistrovat k privátní verzi Preview Služby Pasqal ve službě Azure Quantum.
  • Quantum Circuits, Inc: Kompletní supervodivé obvody s zpětnou vazbou v reálném čase, která umožňuje opravu chyb a propletení bran nezávislých na kódování. Ještě dnes se můžete předem zaregistrovat k privátní verzi Preview QCI služby Azure Quantum.

Další informace o specifikacích jednotlivých zprostředkovatelů najdete v úplném seznamu kvantových výpočtůtarget.

Zprostředkovatelé optimalizace

U řešení optimalizace si můžete vybrat z těchto dostupných poskytovatelů:

  • 1QBit: Iterativní heuristické algoritmy, které používají vyhledávací techniky k řešení problémů QUBO.
  • Microsoft QIO: Sada vícenásobných targets , které přeformuly optimalizační problém inspirovaný desetiletími kvantového výzkumu.
  • Toshiba SQBM+: Toshiba Simulated Quantum Bifurcation Machine je počítač ISING s gpu, který řeší rozsáhlé kombinatorické optimalizační problémy při vysoké rychlosti.

Další informace o specifikacích jednotlivých zprostředkovatelů najdete v úplném seznamu Optimalizacetarget.

Další kroky

Začněte používat Azure Quantum: