QuantumKatas

Aviso de deprecación

Estamos modernizando la experiencia cuántica de Katas. Visite https://quantum.microsoft.com/experience/quantum-katas para probar la nueva experiencia de katas cuántica de Azure en línea, con asistencia integrada de Copilot in Azure Quantum.

Para el moderno repositorio de QDK, visite Microsoft/Qsharp.

Para obtener más información sobre el QDK y Azure Quantum modernos, visite https://aka.ms/aq/documentation.

Introducción

Los katas cuánticos son una colección de tutoriales de ritmo de su autoengalecimiento y ejercicios de programación para ayudarlo a aprender la computación cuántica y la programación Q#.

Cada kata es un conjunto separado de ejercicios que incluye:

• Una secuencia de tareas que progresan de fácil a duro. Cada tarea requiere que complete algún código. La primera tarea puede requerir una sola línea, y la última podría requerir un código bastante complicado.
• Un marco de prueba que se establece, ejecuta y valida sus soluciones. Cada tarea está cubierta por una prueba unitaria que inicialmente falla. Una vez que escriba el código para que pase la prueba, puede pasar a la siguiente tarea.
• Enlaces a la computación cuántica y el material de referencia Q# Es posible que necesite resolver las tareas.
• Sugerencias, soluciones de referencia y explicaciones detalladas para ayudarlo si está atrapado.

Los Katas cuánticos también incluyen tutoriales que introducen al alumno los conceptos y algoritmos básicos utilizados en la computación cuántica, comenzando con las matemáticas necesarias (números complejos y álgebra lineal). Siguen el mismo patrón de complemento de la teoría con demos Q# y ejercicios de programación práctica.

Tabla de contenido

• Camino de aprendizaje
• Ejecute los katas y tutoriales en línea
• Ejecute los katas localmente
  • Instalación del kit de desarrollo cuántico
  • Descargar los katas cuánticos
  • Ejecute un kata como un cuaderno de Jupyter
  • Ejecute un kata como un proyecto Q#
  • Ejecutar pruebas de kata
  • Ejecute katas localmente con Docker
• Que contribuye
• Código de conducta

Camino de aprendizaje

Aquí está la ruta de aprendizaje que le sugerimos que siga si está comenzando a aprender la computación cuántica y la programación cuántica. Una vez que se sienta cómodo con lo básico, ¡puede avanzar a los temas que despiertan su interés!

Conceptos de computación cuántica: qubits y puertas

• Aritmética compleja (tutorial) . Aprenda sobre números complejos y las matemáticas requeridas para trabajar con la computación cuántica.
• Álgebra lineal (tutorial) . Aprenda sobre vectores y matrices utilizados para representar estados cuánticos y operaciones cuánticas.
• El qubit (tutorial) . Aprenda lo que es un qubit.
• Puertas de un solo qubit (tutorial) . Aprenda qué es una puerta cuántica y sobre las puertas de un solo qubits más comunes.
• Puertas básicas de computación cuántica . Aprenda a aplicar las puertas más comunes utilizadas en la computación cuántica.
• Sistemas de múltiples qubits (tutorial) . Aprenda a representar sistemas de múltiples quits.
• Puertas de múltiples qubits (tutorial) . Aprenda sobre las puertas múltiples más comunes.
• Superposición . Aprenda a preparar estados de superposición.

Conceptos de computación cuántica: medidas

• Medidas de un solo qubit (tutorial) . Aprenda qué es la medición cuántica y cómo usarla para sistemas de un solo qubit.
• Medidas de múltiples qubits (tutorial) . Aprenda a usar mediciones para sistemas de múltiples quits.
• Medidas . Aprenda a distinguir los estados cuánticos utilizando mediciones.
• Distinguir los unitarios . Aprenda a distinguir los unitarios diseñando y realizando experimentos con ellos.
• Medidas articulares . Aprenda sobre el uso de mediciones articulares (paridad) para distinguir estados cuánticos y realizar transformaciones estatales.

Q# y herramientas del kit de desarrollo cuántico de Microsoft

• Herramientas de visualización (tutorial) . Aprenda a usar las diversas herramientas para visualizar elementos de los programas Q#.

Algoritmos simples

• Generación de números aleatorios (tutorial) . Aprenda a generar números aleatorios utilizando los principios de la computación cuántica.
• Teletransportación . Implementar el protocolo de teletransportación estándar y sus variaciones.
• Codificación superdensa . Implementar el protocolo de codificación SuperDense.

Oráculos cuánticos y algoritmos Oracle simples

• Oráculos cuánticos (tutorial) . Aprenda a implementar funciones clásicas como oráculos cuánticos equivalentes.
• Marcando oráculos . Practica la implementación de oráculos de marcado para una variedad de funciones clásicas.
• Explorando los algoritmos de Deutsch y Deutsch - Jozsa (tutorial) . Aprenda a implementar funciones clásicas y oráculos cuánticos equivalentes, y compare la solución cuántica con el problema Deutsch -Jozsa con uno clásico.
• Algoritmo Deutsch - Jozsa . Conozca los oráculos cuánticos que implementan funciones clásicas e implementan los algoritmos Bernstein -Vazirani y Deutsch - Jozsa.
• Algoritmo de Simon . Aprenda sobre el algoritmo de Simon.

Algoritmo de búsqueda de Grover

• Implementación del algoritmo de Grover . Aprenda sobre el algoritmo de búsqueda de Grover y cómo escribir oráculos cuánticos para usar con él.
• Explorando el algoritmo de búsqueda de Grover (tutorial) . Obtenga más información sobre el algoritmo de búsqueda de Grover, recogiendo donde el algoritmo de Grover Kata dejó.
• Resolver problemas SAT usando el algoritmo de Grover . Explore el algoritmo de búsqueda de Grover, utilizando los problemas de SAT como ejemplo. Aprenda a implementar oráculos cuánticos en función de la descripción del problema en lugar de una respuesta codificada. Use el algoritmo de Grover para resolver problemas con un número desconocido de soluciones.
• Resolver problemas de coloración de gráficos usando el algoritmo de Grover . Continúe con la exploración del algoritmo de búsqueda de Grover, utilizando los problemas de coloración de gráficos como ejemplo.
• Resolver un problema de mochila limitada usando el algoritmo de Grover . Aprenda cómo resolver las variantes del problema de la mochila con la búsqueda de Grover.

Herramientas y bibliotecas/construcción del algoritmo de Shor

• Transformación cuántica de Fourier . Aprenda a implementar la transformación cuántica de Fourier y a usarla para realizar transformaciones estatales simples.
• Estimación de fase . Aprenda sobre los algoritmos de estimación de fase.

Juegos de enredos

• Juego de CHSH .
• Juego de GHZ .
• Juego Magic Square de Mermin-Peres .

Computación reversible

• Tablas de verdad . Aprenda a representar y manipular funciones booleanas como tablas de verdad e implementarlas como operaciones cuánticas.
• Adder de ondulación . Construya un sumador de ondas en una computadora cuántica.

Misceláneas

• Protocolo BB84 . Implemente el algoritmo de distribución de clave BB84.
• Código de corrección de errores de bit-flip . Conozca un código de corrección de errores de 3 quits para proteger contra errores de bit-flip.
• Patrones unitarios . Aprenda a implementar unitarios con matrices que sigan ciertos patrones de elementos cero y no cero.
• Clasificación cuántica (tutorial) . Aprenda sobre clasificadores centrados en el circuito y la biblioteca de aprendizaje automático cuántico incluida en el QDK.

Para una hoja de referencia rápida del lenguaje de programación Q#, consulte la referencia rápida del idioma Q#.

Ejecute los katas y tutoriales en línea

¡Los Katas cuánticos ahora están disponibles como cuadernos Jupyter en línea! Consulte index.ipynb para la lista de todos los katas y tutoriales, e instrucciones para ejecutarlos en línea.

Tenga en cuenta que mybinder.org se está ejecutando con capacidad reducida, por lo que obtener una máquina virtual y iniciar los cuadernos en ella podría tomar varios intentos. Si bien ejecutar Katas Online es la opción más fácil para comenzar, si desea guardar su progreso y disfrutar de un mejor rendimiento, le recomendamos que elija la opción de configuración local.

Ejecute los katas localmente

Instalación del kit de desarrollo cuántico

Para usar los katas cuánticos localmente, necesitará el kit Quantum Development, disponible para Windows 10, MacOS y Linux. Si aún no tiene instalado el kit de desarrollo cuántico, consulte la guía de instalación para el kit de desarrollo cuántico.

Si desea ejecutar los katas y tutoriales localmente como cuadernos Jupyter :

1. Siga los pasos de la Guía de instalación de QDK para Python y la Guía de instalación de QDK para cuadernos Jupyter.
2. Varios tutoriales requieren instalación de paquetes adicionales de Python:
   • "Aritmética compleja" y "álgebra lineal" requieren el paquete pytest .
   • "Explorar el algoritmo de búsqueda de Grover" requiere el paquete matplotlib .
   • La "clasificación cuántica" requiere matplotlib y paquetes numpy .

Consulte la actualización de IQ# kernel para actualizar IQ# kernel a una nueva versión con versiones mensuales de QDK.

Si desea ejecutar las Katas y los tutoriales localmente como Proyectos Q# :

Siga los pasos de la Guía de instalación de QDK para Visual Studio, Visual Studio Code u otros editores.

Ejecutar los proyectos Q# de los Katas localmente requiere descargar e instalar el SDK .NET 6.0. Puede hacer esto incluso si tiene otra versión de .NET instalada, ya que varias versiones son compatibles de lado a lado.

Dado que Visual Studio 2019 no admite proyectos .NET 6.0, deberá actualizar a Visual Studio 2022 e instalar la correspondiente extensión del kit de desarrollo cuántico de Microsoft.

Descargar los katas cuánticos

Si ha instalado Git, clone el repositorio de Microsoft/Quantumkatas:

$ git clone https://github.com/Microsoft/QuantumKatas.git

CONSEJO
Tanto Visual Studio 2022 como Visual Studio Code facilitan clonar repositorios desde su entorno de desarrollo. Para más detalles, consulte la documentación del código Visual Studio y Visual Studio.

Si no tiene instalado GIT, descargue las katas de https://github.com/microsoft/quantumkatas/archive/main.zip.

Ejecute un kata como un cuaderno de Jupyter

La mejor manera de ejecutar los katas como cuadernos Jupyter es navegar a la carpeta raíz del repositorio y abrir index.ipynb usando Jupyter:

$ cd QuantumKatas/
$ jupyter notebook index.ipynb

Esto abrirá el cuaderno que contiene una lista de todas las katas y tutoriales, y podrá navegar hasta el que desee usando enlaces.

Nota: Esto iniciará el servidor de cuadernos Jupyter en la misma ventana de línea de comando que utilizó para ejecutar el comando. Si desea seguir usando esa ventana para la navegación, puede iniciar el servidor de cuadernos Jupyter en una nueva ventana utilizando los siguientes comandos:

Para Windows:

$ cd QuantumKatas/
$ start jupyter notebook index.ipynb

Para Ubuntu:

$ cd QuantumKatas/
$ gnome-terminal -- start jupyter notebook index.ipynb

También puede abrir un cuaderno individual directamente, pero esto podría hacer que los enlaces internos no valan:

$ cd QuantumKatas/tutorials/ComplexArithmetic
$ jupyter notebook ComplexArithmetic.ipynb

Ejecute un kata como un proyecto Q#

Cada kata está en su propio directorio como un proyecto Q# autónomo, Solution y Jupyter Notebook Triplet. Por ejemplo, la estructura del directorio BasicGates es:

QuantumKatas/
  BasicGates/
    README.md                  # Instructions specific to this kata.
    .vscode/                   # Metadata used by Visual Studio Code.
    BasicGates.sln             # Visual Studio solution file.
    BasicGates.csproj          # Project file used to build both classical and quantum code.

    BasicGates.ipynb           # Jupyter Notebook front-end for this kata.
    Workbook_BasicGates.ipynb  # Jupyter Notebook workbook for this kata.

    Tasks.qs                   # Q# source code that you will fill as you solve each task.
    Tests.qs                   # Q# tests that verify your solutions.
    ReferenceImplementation.qs # Q# source code containing solutions to the tasks.

Para abrir el Kata BasicGates en Visual Studio 2022, abra el archivo de solución Quantumkatas/BasicGates/BasicGates.sln .

Para abrir el Kata BasicGates en el código Visual Studio, abra la carpeta Quantumkatas/ BasicGates/ . Presione Ctrl + Shift + P (o ⌘ + Shift + P en MacOS) para abrir la paleta de comando . Escriba la carpeta Abrir en Windows 10 o Linux o abra en macOS.

CONSEJO
Casi todos los comandos disponibles en el código Visual Studio están en la paleta de comandos. Si se atasca, presione Ctrl + Shift + P (o ⌘ + Shift + P en MacOS) y comience a escribir para buscar a través de todos los comandos disponibles.

También puede iniciar el código de Visual Studio desde la línea de comandos:

$ code QuantumKatas/BasicGates/

Ejecutar pruebas de kata

Una vez que tenga un Kata abierto, es hora de ejecutar las pruebas utilizando las siguientes instrucciones. Inicialmente todas las pruebas fallarán. ¡No entrar en pánico! Abra tareas. Qs y comience a completar el código para completar las tareas. Cada tarea está cubierta por una prueba unitaria. Una vez que complete el código correcto para una tarea, reconstruya el proyecto y vuelva a ejecutar las pruebas, y la prueba unitaria correspondiente pasará.

Visual Studio 2022

1. Construir la solución.
2. Desde el menú principal, abra el Explorador de prueba ( Test > Windows ) y seleccione Ejecutar todos para ejecutar todas las pruebas unitarias a la vez.
3. Trabaje en las tareas en el archivo tareas.qs .
4. Para probar sus cambios en el código para una tarea, reconstruya la solución y vuelva a ejecutar todas las pruebas unitarias utilizando Ejecutar todos , o ejecute solo la prueba para esa tarea haciendo clic con el botón derecho en la prueba y seleccionando las pruebas seleccionadas .

Código de Visual Studio

1. Presione Ctrl + ` (o ⌘ +` en macOS) para abrir el terminal integrado. El terminal debe abrirse al directorio KATA. Si no es así, navegue a la carpeta que contiene el archivo *.csproj para el comando kata usando el comando cd .
2. Ejecute dotnet test en el terminal integrado. Esto debería construir el proyecto KATA y ejecutar todas las pruebas unitarias. Todas las pruebas unitarias deberían fallar.
3. Trabaje en las tareas en el archivo tareas.qs .
4. Para probar sus cambios de código para una tarea, desde la dotnet test de ejecución del terminal integrado nuevamente.

Por conveniencia, existe un archivo de configuración de tareas. JSON para cada kata. Permite que Visual Studio Code ejecute los pasos de compilación y prueba desde la paleta de comandos. Presione Ctrl + Shift + P (o ⌘ + Shift + P en MacOS) para abrir la paleta y escriba la tarea de compilación de ejecución o la tarea de prueba y presione Entrar .

Ejecute katas localmente con Docker

Puede usar el DockerFile incluido para crear una imagen Docker con todas las herramientas necesarias para ejecutar los katas desde la línea de comandos o jupyter.

1. Instale Docker.
2. Construye la imagen Docker y etiquétela katas :

docker build -t katas .

3. Ejecute la imagen en el contenedor llamado katas-container con la línea de comandos interactiva y redirige el puerto del contenedor 8888 al puerto local 8888 (necesario para ejecutar Jupyter):

docker run -it --name katas-container -p 8888:8888 katas /bin/bash

4. Desde la misma línea de comando que usó para ejecutar el contenedor, ejecute la versión C# de BasicGates Kata:

 cd ~ /BasicGates/
dotnet test

5. Inicie un cuaderno Jupyter dentro de la imagen para BasicGates Kata:

 cd ~ /BasicGates/ && jupyter notebook --ip=0.0.0.0 --no-browser

6. Una vez que Jupyter ha comenzado, use su navegador para abrir el Kata en formato de cuaderno. Necesitará un token generado por Jupyter cuando comenzó en el paso anterior:

 http://localhost:8888/notebooks/BasicGates.ipynb

Para salir de un contenedor Docker sin matarlo (modo demonio), presione Ctrl+P, Ctrl+Q

Para volver a entrar en el katas-container existente (en modo Daemon):

docker attach katas-container

Una vez que haya terminado, retire el katas-container :

docker rm --force katas-container

Que contribuye

Este proyecto da la bienvenida a las contribuciones y sugerencias. ¿Ves cómo puedo contribuir? para más detalles.

Código de conducta

Este proyecto ha adoptado el Código de Conducta Open Open Microsoft. Para obtener más información, consulte el Código de Conducta Preguntas frecuentes o comuníquese con [email protected] con cualquier pregunta o comentario adicional.