Inicio rápido: Creación de un generador cuántico de números aleatorios en Azure Quantum

Prerrequisitos

• Para completar este tutorial, necesitará una suscripción de Azure. Si no tiene una suscripción a Azure, cree una cuenta gratuita antes de empezar.
• En esta guía, usaremos Visual Studio Code, que puede descargar y usar de forma gratuita.

Instalación del kit de desarrollo de Quantum y otros recursos

Para poder escribir un programa de Q# y ejecutarlo con uno de los proveedores de computación cuántica, deberá instalar algunos recursos:

1. Instale la extensión Microsoft QDK para VS Code.

2. Instale la CLI de Azure.

3. Instale la extensión quantum para la CLI de Azure.

   az extension add -n quantum
   

Creación de un área de trabajo de Azure Quantum

Para usar Azure Quantum, agregue un recurso de área de trabajo del servicio a su suscripción de Azure en Azure Portal. Un recurso de área de trabajo de Azure Quantum, o área de trabajo para abreviar, es una colección de recursos asociados a aplicaciones de optimización o cuánticas en ejecución.

Para abrir Azure Portal, vaya a https://portal.azure.com y siga los pasos que se detallan a continuación:

1. Haga clic en Crear un recurso y, después, busque Azure Quantum. En la página de resultados, debería ver un icono para el servicio Azure Quantum (versión preliminar).

   

2. Haga clic en Azure Quantum (versión preliminar) y, después, en Crear. Se abrirá un formulario para crear un área de trabajo.

   

3. Rellene los detalles del área de trabajo:

   • Suscripción: la suscripción que desea asociar a esta área de trabajo.
   • Grupo de recursos: el grupo de recursos al que desea asignar esta área de trabajo.
   • Nombre: el nombre del área de trabajo.
   • Región: la región del área de trabajo.
   • Cuenta de almacenamiento: la cuenta de almacenamiento de Azure para almacenar los trabajos y resultados. Si no tiene una cuenta de almacenamiento, haga clic en Crear una nueva cuenta de almacenamiento y rellene los campos necesarios. Para esta versión preliminar, se recomienda usar los valores predeterminados.

   

   Nota

   Debe ser propietario del grupo de recursos seleccionado para crear una nueva cuenta de almacenamiento. Para obtener más información sobre cómo funcionan los grupos de recursos en Azure, consulte Control y organización de los recursos de Azure con Azure Resource Manager.

4. Una vez rellenada la información, haga clic en la pestaña Proveedores para agregar proveedores al área de trabajo. Un proveedor proporciona acceso a un servicio cuántico, que puede ser un hardware cuántico, un simulador cuántico o un servicio de optimización.

   

   Nota

   De forma predeterminada, el servicio Azure Quantum agrega el proveedor Microsoft QIO a cada área de trabajo.

5. Agregue al menos el proveedor IonQ y, a continuación, seleccione Revisar y crear.

6. Revise la configuración y apruebe los términos y condiciones de uso de los proveedores seleccionados. Si todo es correcto, haga clic en Crear para crear el área de trabajo.

   

Creación de un proyecto de Q# en Visual Studio Code

1. En VS Code, abra el menú Vista y seleccione Paleta de comandos.

2. Escriba Q#: Crear nuevo proyecto.

3. Seleccione Aplicación de consola independiente.

4. Seleccione un directorio donde almacenar el proyecto, como su directorio principal. Escriba QuantumRNG como nombre del proyecto y seleccione Crear proyecto.

5. En la ventana que aparece en la parte inferior, seleccione Abrir nuevo proyecto.

6. Debería ver dos archivos: el archivo del proyecto y Program.qs, que contiene el código de inicio. Abra Program.qs.

7. Para empezar, abra el archivo QuantumRNG.csproj y agregue la propiedad ExecutionTarget, que le proporcionará información en tiempo de diseño sobre la compatibilidad del programa con el hardware de IonQ.

<Project Sdk="Microsoft.Quantum.Sdk/0.17.2105143879">
  <PropertyGroup>
    <OutputType>Exe</OutputType>
    <TargetFramework>netcoreapp3.1</TargetFramework>
    <ExecutionTarget>ionq.qpu</ExecutionTarget>
  </PropertyGroup>
</Project>

1. Reemplace el contenido de Program.qs por el programa:

namespace QuantumRNG {
    open Microsoft.Quantum.Intrinsic;
    open Microsoft.Quantum.Measurement;
    open Microsoft.Quantum.Canon;

    @EntryPoint()
    operation GenerateRandomBits() : Result[] {
        use qubits = Qubit[4];
        ApplyToEach(H, qubits);
        return MultiM(qubits);
    }
}

Preparación de la CLI de AZ

A continuación, prepararemos el entorno para ejecutar el programa en el área de trabajo que creó.

1. Inicie sesión en Azure con sus credenciales. Verá una lista de suscripciones asociadas a su cuenta.

   az login
   

2. Especifique la que quiera usar. También podrá consultar su id. de suscripción en la información general de su área de trabajo de Azure Portal.

   az account set -s <Your subscription ID>
   

3. Use quantum workspace set para seleccionar el área de trabajo que creó anteriormente como predeterminada. Tenga en cuenta que también debe especificar el grupo de recursos y la ubicación en la que lo ha creado:

   az quantum workspace set -g MyResourceGroup -w MyWorkspace -l MyLocation -o table
   

    Location    Name         ProvisioningState    ResourceGroup    StorageAccount      Usable
    ----------  -----------  -------------------  ---------------  ------------------  --------
    MyLocation  MyWorkspace  Succeeded            MyResourceGroup  /subscriptions/...  Yes
   
   

4. En su área de trabajo hay diferentes destinos disponibles de los proveedores que agregó al crear el área de trabajo. Puede mostrar una lista de todos los destinos disponibles con el comando az quantum target list -o table:

   az quantum target list -o table
   

   En función del proveedor que haya seleccionado, verá lo siguiente:

    Provider    Target-id                                       Status     Average Queue Time
    ----------  ----------------------------------------------  ---------  --------------------
    ionq        ionq.qpu                                        Available  0
    ionq        ionq.simulator                                  Available  0
   

   Nota

   Cuando envía un trabajo en Azure Quantum, esperará en una cola hasta que el proveedor esté listo para ejecutar el programa. La columna Average Queue Time (Promedio de tiempo en cola) del comando target list muestra cuántos segundos han esperado los trabajos ejecutados recientemente en la cola. Esto puede dar una idea de cuánto tiempo puede tener que esperar.

Simulación del programa en el proveedor de IonQ

Antes de ejecutar un programa en el hardware real, recomendamos simularlo primero (si es posible, basándose en el número de cúbits necesarios) para ayudar a asegurar que su algoritmo funcione según lo previsto. Afortunadamente, IonQ proporciona un simulador idealizado que puede usar.

Ejecute el programa con az quantum execute --target-id ionq.simulator -o table. Este comando compilará el programa, lo enviará a Azure Quantum y esperará hasta que IonQ haya terminado de simular el programa. Una vez hecho, se generará un histograma similar al siguiente:

az quantum execute --target-id ionq.simulator -o table

Result     Frequency
---------  -----------  -------------------------
[0,0,0,0]  0.06250000   ▐█                      |
[1,0,0,0]  0.06250000   ▐█                      |
[0,1,0,0]  0.06250000   ▐█                      |
[1,1,0,0]  0.06250000   ▐█                      |
[0,0,1,0]  0.06250000   ▐█                      |
[1,0,1,0]  0.06250000   ▐█                      |
[0,1,1,0]  0.06250000   ▐█                      |
[1,1,1,0]  0.06250000   ▐█                      |
[0,0,0,1]  0.06250000   ▐█                      |
[1,0,0,1]  0.06250000   ▐█                      |
[0,1,0,1]  0.06250000   ▐█                      |
[1,1,0,1]  0.06250000   ▐█                      |
[0,0,1,1]  0.06250000   ▐█                      |
[1,0,1,1]  0.06250000   ▐█                      |
[0,1,1,1]  0.06250000   ▐█                      |
[1,1,1,1]  0.06250000   ▐█                      |

Esto muestra una frecuencia igual para cada uno de los 16 estados posibles para medir 4 cúbits, que es lo que esperamos de un simulador idealizado. Esto significa que estamos preparados para ejecutarlo en la QPU.

Ejecución del programa en el hardware

Para ejecutar el programa en el hardware, usaremos el comando de envío de trabajos asincrónicos az quantum job submit. Al igual que con el comando execute, se compilará y enviará el programa, pero no esperará hasta que se complete la ejecución. Se recomienda este patrón para ejecutarlo en el hardware, ya que es posible que tenga que esperar un rato para que el trabajo finalice. Para hacerse una idea de cuánto tiempo puede ser, puede ejecutar az quantum target list -o table tal y como se ha descrito anteriormente. En función del proveedor que haya seleccionado, verá lo siguiente:

az quantum job submit --target-id ionq.qpu -o table

 Name        Id                                    Status    Target    Submission time
 ----------  ------------------------------------  --------  --------  ---------------------------------
 QuantumRNG  5aa8ce7a-25d2-44db-bbc3-87e48a97249c  Waiting   ionq.qpu  2020-10-22T22:41:27.8855301+00:00

En la tabla anterior, se muestra que el trabajo se ha enviado y está esperando su turno para ejecutarse. Para comprobar el estado, use el comando az quantum job show, asegurándose de reemplazar el parámetro job-id por el identificador de la salida del comando anterior, por ejemplo:

 az quantum job show -o table --job-id 5aa8ce7a-25d2-44db-bbc3-87e48a97249c 

 Name        Id                                    Status    Target    Submission time
 ----------  ------------------------------------  --------  --------  ---------------------------------
 QuantumRNG  5aa8ce7a-25d2-44db-bbc3-87e48a97249c  Waiting   ionq.qpu  2020-10-22T22:41:27.8855301+00:00

Finalmente, verá que el elemento Status de la tabla anterior cambia a Succeeded. Una vez hecho esto, puede obtener los resultados del trabajo ejecutando az quantum job output:

az quantum job output -o table --job-id 5aa8ce7a-25d2-44db-bbc3-87e48a97249c 

Result     Frequency
---------  -----------  -------------------------
[0,0,0,0]  0.05200000   ▐█                      |
[1,0,0,0]  0.07200000   ▐█                      |
[0,1,0,0]  0.05000000   ▐█                      |
[1,1,0,0]  0.06800000   ▐█                      |
[0,0,1,0]  0.04600000   ▐█                      |
[1,0,1,0]  0.06000000   ▐█                      |
[0,1,1,0]  0.06400000   ▐█                      |
[1,1,1,0]  0.07600000   ▐██                     |
[0,0,0,1]  0.04800000   ▐█                      |
[1,0,0,1]  0.06200000   ▐█                      |
[0,1,0,1]  0.07400000   ▐█                      |
[1,1,0,1]  0.08000000   ▐██                     |
[0,0,1,1]  0.05800000   ▐█                      |
[1,0,1,1]  0.06800000   ▐█                      |
[0,1,1,1]  0.05200000   ▐█                      |
[1,1,1,1]  0.07000000   ▐█                      |

El histograma que reciba puede ser ligeramente diferente al anterior, pero verá que los estados generalmente se observan con la misma frecuencia.

Prerrequisitos

• Para completar este tutorial, necesitará una suscripción de Azure. Si no tiene una suscripción a Azure, cree una cuenta gratuita antes de empezar.
• En esta guía, usaremos Visual Studio Code, que puede descargar y usar de forma gratuita.

Instalación del kit de desarrollo de Quantum y otros recursos

Para poder escribir un programa de Q# y ejecutarlo con uno de los proveedores de computación cuántica, deberá instalar algunos recursos:

1. Instale la extensión Microsoft QDK para VS Code.

2. Instale la CLI de Azure.

3. Instale la extensión quantum para la CLI de Azure.

   az extension add -n quantum
   

Creación de un área de trabajo de Azure Quantum

Para usar Azure Quantum, agregue un recurso de área de trabajo del servicio a su suscripción de Azure en Azure Portal. Un recurso de área de trabajo de Azure Quantum, o área de trabajo para abreviar, es una colección de recursos asociados a aplicaciones de optimización o cuánticas en ejecución.

Para abrir Azure Portal, vaya a https://portal.azure.com y siga los pasos que se detallan a continuación:

1. Haga clic en Crear un recurso y, después, busque Azure Quantum. En la página de resultados, debería ver un icono para el servicio Azure Quantum (versión preliminar).

   

2. Haga clic en Azure Quantum (versión preliminar) y, después, en Crear. Se abrirá un formulario para crear un área de trabajo.

   

3. Rellene los detalles del área de trabajo:

   • Suscripción: la suscripción que desea asociar a esta área de trabajo.
   • Grupo de recursos: el grupo de recursos al que desea asignar esta área de trabajo.
   • Nombre: el nombre del área de trabajo.
   • Región: la región del área de trabajo.
   • Cuenta de almacenamiento: la cuenta de almacenamiento de Azure para almacenar los trabajos y resultados. Si no tiene una cuenta de almacenamiento, haga clic en Crear una nueva cuenta de almacenamiento y rellene los campos necesarios. Para esta versión preliminar, se recomienda usar los valores predeterminados.

   

   Nota

   Debe ser propietario del grupo de recursos seleccionado para crear una nueva cuenta de almacenamiento. Para obtener más información sobre cómo funcionan los grupos de recursos en Azure, consulte Control y organización de los recursos de Azure con Azure Resource Manager.

4. Una vez rellenada la información, haga clic en la pestaña Proveedores para agregar proveedores al área de trabajo. Un proveedor proporciona acceso a un servicio cuántico, que puede ser un hardware cuántico, un simulador cuántico o un servicio de optimización.

   

   Nota

   De forma predeterminada, el servicio Azure Quantum agrega el proveedor Microsoft QIO a cada área de trabajo.

5. Agregue al menos el proveedor Honeywell y haga clic en Revisar y crear.

6. Revise la configuración y apruebe los términos y condiciones de uso de los proveedores seleccionados. Si todo es correcto, haga clic en Crear para crear el área de trabajo.

   

Creación de un proyecto de Q# en Visual Studio Code

1. En VS Code, abra el menú Vista y seleccione Paleta de comandos.

2. Escriba Q#: Crear nuevo proyecto.

3. Seleccione Aplicación de consola independiente.

4. Seleccione un directorio donde almacenar el proyecto, como su directorio principal. Escriba QuantumRNG como nombre del proyecto y seleccione Crear proyecto.

5. En la ventana que aparece en la parte inferior, seleccione Abrir nuevo proyecto.

6. Debería ver dos archivos: el archivo del proyecto y Program.qs, que contiene el código de inicio. Abra Program.qs.

7. Para empezar, abra el archivo QuantumRNG.csproj y agregue la propiedad ExecutionTarget, que le proporcionará información en tiempo de diseño sobre la compatibilidad del programa con el hardware de Honeywell.

<Project Sdk="Microsoft.Quantum.Sdk/0.17.2105143879">
  <PropertyGroup>
    <OutputType>Exe</OutputType>
    <TargetFramework>netcoreapp3.1</TargetFramework>
    <ExecutionTarget>honeywell.hqs-lt-1.0</ExecutionTarget>
  </PropertyGroup>
</Project>

1. Reemplace el contenido de Program.qs por el programa:

namespace QuantumRNG {
    open Microsoft.Quantum.Intrinsic;
    open Microsoft.Quantum.Measurement;
    open Microsoft.Quantum.Canon;

    @EntryPoint()
    operation GenerateRandomBits() : Result[] {
        use qubits = Qubit[4];
        ApplyToEach(H, qubits);
        return MultiM(qubits);
    }
}

Preparación de la CLI de AZ

A continuación, prepararemos el entorno para ejecutar el programa en el área de trabajo que creó.

1. Inicie sesión en Azure con sus credenciales. Verá una lista de suscripciones asociadas a su cuenta.

   az login
   

2. Especifique la que quiera usar. También podrá consultar su id. de suscripción en la información general de su área de trabajo de Azure Portal.

   az account set -s <Your subscription ID>
   

3. Use quantum workspace set para seleccionar el área de trabajo que creó anteriormente como predeterminada. Tenga en cuenta que también debe especificar el grupo de recursos y la ubicación en la que lo ha creado:

   az quantum workspace set -g MyResourceGroup -w MyWorkspace -l MyLocation -o table
   

    Location    Name         ProvisioningState    ResourceGroup    StorageAccount      Usable
    ----------  -----------  -------------------  ---------------  ------------------  --------
    MyLocation  MyWorkspace  Succeeded            MyResourceGroup  /subscriptions/...  Yes
   
   

4. En su área de trabajo hay diferentes destinos disponibles de los proveedores que agregó al crear el área de trabajo. Puede mostrar una lista de todos los destinos disponibles con el comando az quantum target list -o table:

   az quantum target list -o table
   

   que proporciona la salida

   Provider    Target-id                                       Current Availability  Average Queue Time
   ----------  ----------------------------------------------  --------------------  --------------------
   honeywell   honeywell.hqs-lt-1.0                            Available             0
   honeywell   honeywell.hqs-lt-1.0-apival                     Available             0
   

   Nota

   Cuando envía un trabajo en Azure Quantum, esperará en una cola hasta que el proveedor esté listo para ejecutar el programa. La columna Average Queue Time (Promedio de tiempo en cola) del comando target list muestra cuántos segundos han esperado los trabajos ejecutados recientemente en la cola. Esto puede dar una idea de cuánto tiempo puede tener que esperar.

Ejecución del programa en el hardware

Para ejecutar el programa en el hardware, usaremos el comando de envío de trabajos asincrónicos az quantum job submit. Al igual que con el comando execute, se compilará y enviará el programa, pero no esperará hasta que se complete la ejecución. Se recomienda este patrón para ejecutarlo en el hardware, ya que es posible que tenga que esperar un rato para que el trabajo finalice. Para hacerse una idea de cuánto tiempo puede ser, puede ejecutar az quantum target list -o table tal y como se ha descrito anteriormente. En función del proveedor que haya seleccionado, verá lo siguiente:

az quantum job submit --target-id honeywell.hqs-lt-1.0 -o table

 Name        Id                                    Status    Target                Submission time
 ----------  ------------------------------------  --------  --------              ---------------------------------
 QuantumRNG  b4d17c63-2119-4d92-91d9-c18d1a07e08f  Waiting   honeywell.hqs-lt-1.0  2020-01-12T22:41:27.8855301+00:00

En la tabla anterior, se muestra que el trabajo se ha enviado y está esperando su turno para ejecutarse. Para comprobar el estado, use el comando az quantum job show, asegurándose de reemplazar el parámetro job-id por el identificador de la salida del comando anterior, por ejemplo:

 az quantum job show -o table --job-id b4d17c63-2119-4d92-91d9-c18d1a07e08f 

 Name        Id                                    Status    Target    Submission time
 ----------  ------------------------------------  --------  --------  ---------------------------------
 QuantumRNG  b4d17c63-2119-4d92-91d9-c18d1a07e08f  Waiting   honeywell.hqs-lt-1.0  2020-10-22T22:41:27.8855301+00:00

Eventually, you will see the `Status` in the above table change to `Succeeded`. Once that's done you can get the results from the job by running `az quantum job output`:

```azurecli
az quantum job output -o table --job-id b4d17c63-2119-4d92-91d9-c18d1a07e08f 

Result     Frequency
---------  -----------  -------------------------
[0,0,0,0]  0.05200000   ▐█                      |
[1,0,0,0]  0.07200000   ▐█                      |
[0,1,0,0]  0.05000000   ▐█                      |
[1,1,0,0]  0.06800000   ▐█                      |
[0,0,1,0]  0.04600000   ▐█                      |
[1,0,1,0]  0.06000000   ▐█                      |
[0,1,1,0]  0.06400000   ▐█                      |
[1,1,1,0]  0.07600000   ▐██                     |
[0,0,0,1]  0.04800000   ▐█                      |
[1,0,0,1]  0.06200000   ▐█                      |
[0,1,0,1]  0.07400000   ▐█                      |
[1,1,0,1]  0.08000000   ▐██                     |
[0,0,1,1]  0.05800000   ▐█                      |
[1,0,1,1]  0.06800000   ▐█                      |
[0,1,1,1]  0.05200000   ▐█                      |
[1,1,1,1]  0.07000000   ▐█                      |

El histograma que reciba puede ser ligeramente diferente al anterior, pero verá que los estados generalmente se observan con la misma frecuencia.