Introduzione al calcolo quantistico e al kit di sviluppo Microsoft QuantumIntroduction to quantum computing and the Quantum Development Kit

Il kit di sviluppo Microsoft Quantum (QDK) è un set di strumenti open source progettati per consentire agli sviluppatori di apprendere gli algoritmi quantistici e scrivere programmi quantistici.The Microsoft Quantum Development Kit (QDK) is a set of open-source tools designed to help developers learn quantum algorithms and write quantum programs. Il calcolo quantistico promette di risolvere alcune delle principali sfide del pianeta in termini di ambiente, agricoltura, salute, energia, clima, scienza dei materiali e problemi ancora non incontrati.Quantum computing holds the promise to solve some of our planet's biggest challenges - in the areas of environment, agriculture, health, energy, climate, materials science, and others we haven't encountered yet.

Per alcuni di questi problemi, anche i computer più potenti al mondo possono riscontrare difficoltà.For some of these problems, even our most powerful computers run into problems. Sebbene la tecnologia quantistica abbia appena iniziato a influenzare il mondo informatico, è di vasta portata e potrebbe cambiare radicalmente il modo in cui si pensa all'informatica.While quantum technology is just beginning to impact the computing world, it could be far-reaching and change the way we think about computing.

Che cos'è il calcolo quantistico?What is quantum computing?

Nell'utilizzo moderno, il termine 'quanto' indica l'unità discreta più piccola possibile di qualsiasi proprietà fisica, che in genere fa riferimento a proprietà di particelle atomiche o subatomiche.In modern usage, the word quantum means the smallest possible discrete unit of any physical property, usually referring to properties of atomic or subatomic particles. I computer quantistici usano particelle quantistiche effettive, atomi artificiali o proprietà collettive di particelle quantistiche come unità di elaborazione e sono dispositivi di grandi dimensioni, complessi e costosi.Quantum computers use actual quantum particles, artificial atoms, or collective properties of quantum particles as processing units, and are large, complex, and expensive devices.

Sfruttando il comportamento specifico della fisica quantistica e applicandolo al calcolo, i computer quantistici introducono nuovi concetti nei metodi di programmazione tradizionali, usando comportamenti della fisica quantistica come sovrapposizione, entanglement e interferenza quantistica.Harnessing the unique behavior of quantum physics and applying it to computing, quantum computers introduce new concepts to traditional programming methods, making use of quantum physics behaviors such as superposition, entanglement, and quantum interference.

Cosa è possibile fare con un computer quantistico?What can a quantum computer do?

Un computer quantistico non è un supercomputer che può eseguire tutte le operazioni più velocemente, ma esistono alcune aree in cui i computer quantistici garantiscono risultati eccezionali.A quantum computer isn't a supercomputer that can do everything faster, but there are a few areas where quantum computers do exceptionally well.

Simulazione quantisticaQuantum simulation

Poiché i computer quantistici usano i fenomeni quantistici nel calcolo, sono particolarmente adatti per la modellazione di altri sistemi quantistici.Since quantum computers use quantum phenomena in computation, they are well suited for modeling other quantum systems. La fotosintesi, la superconduttività e le formazioni molecolari complesse sono esempi di meccanismi quantistici che i programmi quantistici possono simulare.Photosynthesis, superconductivity, and complex molecular formations are examples of quantum mechanisms that quantum programs can simulate.

Crittografia e algoritmo di ShorCryptography and Shor’s algorithm

Nel 1994 Peter Shor ha dimostrato che un computer quantistico scalabile può violare tecniche di crittografia ampiamente diffuse, ad esempio l'algoritmo RSA.In 1994, Peter Shor showed that a scalable quantum computer could break widely used encryption techniques such as the RSA algorithm. La crittografia classica si basa sull'intrattabilità dei problemi, ad esempio la fattorizzazione di interi o i logaritmi discreti, molti dei quali possono essere risolti in modo più efficiente con i computer quantistici.Classical cryptography relies on the intractability of problems such as integer factorization or discrete logarithms, many of which can be solved more efficiently using quantum computers.

Ricerca e algoritmo di GroverSearch and Grover’s algorithm

Nel 1996 Lov Grover ha sviluppato un algoritmo quantistico che accelera notevolmente la soluzione di ricerche di dati non strutturati, eseguendo la ricerca in un minor numero di passaggi rispetto a qualsiasi algoritmo classico.In 1996, Lov Grover developed a quantum algorithm that dramatically sped up the solution to unstructured data searches, running the search in fewer steps than any classical algorithm could.

Calcolo e ottimizzazione di ispirazione quantisticaQuantum-inspired computing and optimization

Gli algoritmi di ispirazione quantistica usano principi quantistici per incrementare velocità e accuratezza, ma vengono implementati in sistemi di computer classici.Quantum-inspired algorithms use quantum principles for increased speed and accuracy but implement on classical computer systems. Questo approccio consente agli sviluppatori di sfruttare la potenza delle nuove tecniche quantistiche già oggi senza attendere la disponibilità dell'hardware quantistico, che è ancora un settore emergente.This approach allows developers to leverage the power of new quantum techniques today without waiting for quantum hardware, which is still an emerging industry.

L'ottimizzazione è il processo di individuazione della migliore soluzione a un problema, in base al risultato desiderato e ai vincoli.Optimization is the process of finding the best solution to a problem, given its desired outcome and constraints. Fattori quali i costi, la qualità o il tempo di produzione giocano tutti un ruolo strategico nelle decisioni prese dal settore e dalla scienza.Factors such as cost, quality, or production time all play into critical decisions made by industry and science. Gli algoritmi di ottimizzazione di ispirazione quantistica in esecuzione nei computer classici odierni possono trovare soluzioni finora impossibili.Quantum-inspired optimization algorithms running on today's classical computers can find solutions that up to now have not been possible. Oltre all'ottimizzazione del flusso di traffico per ridurre la congestione, consente l'assegnazione dei gate aerei, il recapito dei pacchi, la pianificazione dei processi e altro ancora.In addition to optimizing traffic flow to reduce congestion, there is airplane gate assignment, package delivery, job scheduling and more. Grazie all'innovazione nella scienza dei materiali, saranno disponibili nuove forme di energia, batterie con capacità più elevata o materiali più leggeri ma più durevoli.With breakthroughs in materials science, there will be new forms of energy, batteries with larger capacity, and lighter and more durable materials.

Nota

Leggere altre informazioni su come il calcolo di ispirazione quantistica Microsoft è usato nella scienza dei materiali, nella gestione dei rischi e nella medicina.Read more about how Microsoft quantum-inspired computing is being used in materials science, risk management, and medicine.

Apprendimento automatico quantisticoQuantum machine learning

L'apprendimento automatico nei computer classici sta rivoluzionando il mondo della scienza e dell'impresa.Machine learning on classical computers is revolutionizing the world of science and business. Tuttavia, il costo di calcolo elevato del training dei modelli ostacola lo sviluppo e l'ambito del campo.However, the high computational cost of training the models hinders the development and scope of the field. L'area dell'apprendimento automatico quantistico esplora come definire e implementare il software quantistico che abilita l'apprendimento automatico che viene eseguito più rapidamente che nei computer classici.The area of quantum machine learning explores how to devise and implement quantum software that enables machine learning that runs faster than classical computers.

Il kit di sviluppo Microsoft Quantum include la libreria di apprendimento automatico quantistico che consente di eseguire esperimenti di apprendimento automatico ibrido quantistico/classico.The Quantum Development Kit comes with the quantum machine learning library that gives you the ability to run hybrid quantum/classical machine learning experiments. La libreria include esempi ed esercitazioni e fornisce gli strumenti necessari per implementare un nuovo algoritmo quantistico-classico ibrido, il classificatore quantistico incentrato sul circuito, per risolvere i problemi di classificazione supervisionati.The library includes samples and tutorials, and provides the necessary tools to implement a new hybrid quantum–classical algorithm, the circuit-centric quantum classifier, to solve supervised classification problems.

Q# e kit di sviluppo Microsoft Quantum (QDK)Q# and the Microsoft Quantum Development Kit (QDK)

Q# è il linguaggio di programmazione open source di Microsoft per lo sviluppo e l'esecuzione di algoritmi quantistici.Q# is Microsoft's open-source programming language for developing and running quantum algorithms. Fa parte del QDK, un kit di sviluppo completo per Q# che è possibile usare con gli strumenti e i linguaggi standard per sviluppare applicazioni quantistiche che si possono eseguire in vari ambienti, incluso il simulatore quantistico di stato completo predefinito.It is part of the QDK, a full-featured development kit for Q# that you can use with standard tools and languages to develop quantum applications that you can run in various environments, including the built-in full-state quantum simulator.

Sono disponibili estensioni per Visual Studio e VS Code e pacchetti da usare con Python e Jupyter Notebook.There are extensions for Visual Studio and VS Code, and packages for use with Python and Jupyter Notebook.

Il QDK include una libreria standard insieme a librerie specializzate di chimica, apprendimento automatico e numeriche.The QDK includes a standard library along with specialized chemistry, machine learning, and numerics libraries.

La documentazione include una guida al linguaggio Q#, le esercitazioni e il codice di esempio per iniziare rapidamente e articoli avanzati che consentono di approfondire i concetti relativi al calcolo quantistico.The documentation includes a Q# language guide, tutorials, and sample code to get you started quickly, and rich articles to help you dive deeper into quantum computing concepts.

Partner di Microsoft per l'hardware quantisticoMicrosoft quantum hardware partners

Microsoft collabora con le aziende produttrici di hardware quantistico per fornire agli sviluppatori l'accesso al cloud per l'hardware quantistico.Microsoft is partnering with quantum hardware companies to provide developers with cloud access to quantum hardware. Sfruttando la piattaforma Azure Quantum e il linguaggio Q#, gli sviluppatori hanno la possibilità di esplorare gli algoritmi quantistici ed eseguire programmi quantistici su diversi tipi di hardware quantistico.Leveraging the Azure Quantum platform and the Q# language, developers will be able to explore quantum algorithms and run their quantum programs on different types of quantum hardware.

IonQ e Honeywell usano entrambi processori basati su ioni intrappolati, che usano singoli ioni intrappolati in un campo elettronico, mentre QCI usa circuiti superconduttori.IonQ and Honeywell both use trapped ion-based processors, utilizing individual ions trapped in an electronic field, whereas QCI uses superconducting circuits.

Passaggi successiviNext steps

Concetti principali per il calcolo quantistico Guide di avvio rapidoKey concepts for quantum computing Quickstarts