QuantumKatas

Pemberitahuan Deprecation

Kami memodernisasi pengalaman katas kuantum. Silakan kunjungi https://quantum.microsoft.com/experience/quantum-katas untuk mencoba pengalaman Katas Azure Quantum online baru, dengan bantuan terintegrasi dari Copilot dalam Azure Quantum.

Untuk repositori QDK modern, silakan kunjungi Microsoft/Qsharp.

Untuk informasi lebih lanjut tentang QDK dan Azure Quantum modern, kunjungi https://aka.ms/aq/documentation.

Perkenalan

Quantum Katas adalah kumpulan tutorial mandiri dan latihan pemrograman untuk membantu Anda mempelajari komputasi kuantum dan pemrograman Q#.

Setiap Kata adalah serangkaian latihan terpisah yang mencakup:

• Urutan tugas yang berkembang dari mudah menjadi keras. Setiap tugas mengharuskan Anda mengisi beberapa kode. Tugas pertama mungkin hanya membutuhkan satu baris, dan yang terakhir mungkin memerlukan kode yang agak rumit.
• Kerangka kerja pengujian yang mengatur, menjalankan, dan memvalidasi solusi Anda. Setiap tugas dicakup oleh tes unit yang awalnya gagal. Setelah Anda menulis kode untuk membuat test pass, Anda dapat beralih ke tugas berikutnya.
• Tautan ke Komputasi Quantum dan Materi Referensi Q# Anda mungkin perlu menyelesaikan tugas.
• Petunjuk, solusi referensi, dan penjelasan terperinci untuk membantu Anda jika Anda terjebak.

Katas kuantum juga mencakup tutorial yang memperkenalkan pelajar pada konsep dasar dan algoritma yang digunakan dalam komputasi kuantum, dimulai dengan matematika yang diperlukan (bilangan kompleks dan aljabar linier). Mereka mengikuti pola yang sama dalam melengkapi teori dengan demo Q# dan latihan pemrograman langsung.

Daftar isi

• Jalur belajar
• Jalankan Katas dan Tutorial Online
• Jalankan Katas secara lokal
  • Instalasi kit pengembangan kuantum
  • Unduh Katas Quantum
  • Jalankan Kata sebagai Jupyter Notebook
  • Jalankan Kata sebagai proyek Q#
  • Jalankan tes kata
  • Jalankan Katas secara lokal dengan Docker
• Berkontribusi
• Kode Etik

Jalur belajar

Berikut adalah jalur pembelajaran yang kami sarankan untuk Anda ikuti jika Anda mulai belajar komputasi kuantum dan pemrograman kuantum. Setelah Anda merasa nyaman dengan dasar -dasarnya, Anda dipersilakan untuk melompat ke atas ke topik -topik yang menarik minat Anda!

Konsep komputasi kuantum: qubit dan gerbang

• Aritmatika kompleks (tutorial) . Pelajari tentang bilangan kompleks dan matematika yang diperlukan untuk bekerja dengan komputasi kuantum.
• Aljabar linier (tutorial) . Pelajari tentang vektor dan matriks yang digunakan untuk mewakili negara kuantum dan operasi kuantum.
• Qubit (tutorial) . Pelajari apa itu qubit.
• Gerbang single-ubit (tutorial) . Pelajari apa itu gerbang kuantum dan tentang gerbang tunggal-ubit yang paling umum.
• Gerbang komputasi kuantum dasar . Belajar menerapkan gerbang paling umum yang digunakan dalam komputasi kuantum.
• Sistem Multi-Qubit (Tutorial) . Belajar mewakili sistem multi-ubit.
• Gerbang multi-ubit (tutorial) . Pelajari tentang gerbang multi-ubit yang paling umum.
• Superposisi . Belajar mempersiapkan negara superposisi.

Konsep Komputasi Kuantum: Pengukuran

• Pengukuran Single-Qitor (Tutorial) . Pelajari apa itu pengukuran kuantum dan bagaimana menggunakannya untuk sistem qubit tunggal.
• Pengukuran Multi-Qubit (Tutorial) . Belajar menggunakan pengukuran untuk sistem multi-ubit.
• Pengukuran . Belajar membedakan keadaan kuantum menggunakan pengukuran.
• Membedakan unitari . Belajarlah untuk membedakan Unitaries dengan merancang dan melakukan eksperimen dengan mereka.
• Pengukuran sendi . Pelajari tentang penggunaan pengukuran gabungan (paritas) untuk membedakan keadaan kuantum dan untuk melakukan transformasi keadaan.

Q# dan Microsoft Quantum Development Kit Tools

• Alat Visualisasi (Tutorial) . Belajar menggunakan berbagai alat untuk memvisualisasikan elemen program Q#.

Algoritma sederhana

• Pembuatan angka acak (tutorial) . Belajar menghasilkan angka acak menggunakan prinsip -prinsip komputasi kuantum.
• Teleportasi . Menerapkan protokol teleportasi standar dan variasinya.
• Pengkodean superdense . Menerapkan protokol pengkodean superdense.

ORCLETUM ORCLES DAN ALGORITM ORACLE Sederhana

• ORCLETUM ORCLES (Tutorial) . Belajar menerapkan fungsi klasik sebagai oracles kuantum yang setara.
• Menandai nubuat . Berlatih menerapkan tanda oracle untuk berbagai fungsi klasik.
• Menjelajahi Algoritma Deutsch dan Deutsch - Jozsa (Tutorial) . Belajar mengimplementasikan fungsi klasik dan oracles kuantum yang setara, dan membandingkan solusi kuantum dengan masalah Deutsch -Jozsa dengan yang klasik.
• Algoritma Deutsch - Jozsa . Pelajari tentang oracles kuantum yang mengimplementasikan fungsi klasik, dan mengimplementasikan algoritma Bernstein -Vazirani dan Deutsch -Jozsa.
• Algoritma Simon . Pelajari tentang algoritma Simon.

Algoritma pencarian Grover

• Menerapkan algoritma Grover . Pelajari tentang algoritma pencarian Grover dan cara menulis oracles kuantum untuk digunakan dengannya.
• Menjelajahi Algoritma Pencarian Grover (Tutorial) . Pelajari lebih lanjut tentang algoritma pencarian Grover, ambil di mana algoritma Grover Kata tinggalkan.
• Memecahkan masalah SAT menggunakan algoritma Grover . Jelajahi algoritma pencarian Grover, menggunakan masalah SAT sebagai contoh. Belajar mengimplementasikan oracles kuantum berdasarkan deskripsi masalah alih-alih jawaban yang dikodekan. Gunakan algoritma Grover untuk menyelesaikan masalah dengan sejumlah solusi yang tidak diketahui.
• Memecahkan masalah pewarnaan grafik menggunakan algoritma Grover . Lanjutkan eksplorasi algoritma pencarian Grover, menggunakan masalah pewarnaan grafik sebagai contoh.
• Memecahkan masalah ransel terikat menggunakan algoritma Grover . Pelajari bagaimana menyelesaikan varian masalah ransel dengan pencarian Grover.

Alat dan Perpustakaan/Membangun Algoritma Shor

• Transformasi Quantum Fourier . Belajar mengimplementasikan transformasi kuantum Fourier dan menggunakannya untuk melakukan transformasi keadaan sederhana.
• Estimasi Fase . Pelajari tentang algoritma estimasi fase.

Game keterjeratan

• Game CHSH .
• Game GHZ .
• Game Magic Square Magic-PERES .

Komputasi reversibel

• Tabel Kebenaran . Belajarlah untuk mewakili dan memanipulasi fungsi boolean sebagai tabel kebenaran dan untuk mengimplementasikannya sebagai operasi kuantum.
• Adder Ripple-Carry . Bangun penambah riak di komputer kuantum.

Aneka ragam

• Protokol BB84 . Menerapkan algoritma distribusi kunci BB84.
• Kode Koreksi Kesalahan Bit-Flip . Pelajari tentang kode koreksi kesalahan 3-qubit untuk melindungi terhadap kesalahan bit-flip.
• Pola kesatuan . Belajar untuk mengimplementasikan unitarium dengan matriks yang mengikuti pola-pola tertentu dari unsur nol dan non-nol.
• Klasifikasi kuantum (tutorial) . Pelajari tentang pengklasifikasi sirkuit-sentris dan pustaka pembelajaran mesin kuantum yang termasuk dalam QDK.

Untuk Lembar Referensi Cepat Bahasa Pemrograman Q#, lihat Referensi Cepat Bahasa Q#.

Jalankan Katas dan Tutorial Online

Katas Quantum sekarang tersedia sebagai Jupyter Notebooks Online! Lihat index.ipynb untuk daftar semua Katas dan tutorial, dan instruksi untuk menjalankannya secara online.

Perhatikan bahwa mybinder.org berjalan dengan kapasitas berkurang, jadi mendapatkan mesin virtual dan meluncurkan notebook di atasnya mungkin membutuhkan beberapa upaya. Saat menjalankan Katas Online adalah opsi termudah untuk memulai, jika Anda ingin menyimpan kemajuan Anda dan menikmati kinerja yang lebih baik, kami sarankan Anda untuk memilih opsi pengaturan lokal.

Jalankan Katas secara lokal

Instalasi kit pengembangan kuantum

Untuk menggunakan Katas Quantum secara lokal, Anda akan memerlukan kit pengembangan kuantum, tersedia untuk Windows 10, MacOS, dan Linux. Jika Anda belum memasang kit pengembangan kuantum, lihat panduan instalasi untuk kit pengembangan kuantum.

Jika Anda ingin menjalankan Katas dan tutorial secara lokal sebagai Jupyter Notebooks :

1. Ikuti langkah -langkah dalam panduan instalasi QDK untuk python dan panduan instalasi QDK untuk jupyter notebooks.
2. Beberapa tutorial memerlukan menginstal paket Python tambahan:
   • "Aritmatika kompleks" dan "aljabar linier" membutuhkan paket pytest .
   • "Menjelajahi Algoritma Pencarian Grover" membutuhkan paket matplotlib .
   • "Klasifikasi kuantum" membutuhkan paket matplotlib dan numpy .

Lihat memperbarui IQ# kernel untuk memperbarui IQ# kernel ke versi baru dengan rilis QDK bulanan.

Jika Anda ingin menjalankan Katas dan tutorial secara lokal sebagai proyek Q# :

Ikuti langkah -langkah dalam panduan instalasi QDK untuk Visual Studio, Visual Studio Code atau editor lainnya.

Menjalankan proyek Q# dari Katas secara lokal membutuhkan pengunduhan dan menginstal .NET 6.0 SDK. Anda dapat melakukan ini bahkan jika Anda memiliki versi .NET lain yang diinstal, karena beberapa versi didukung berdampingan.

Karena Visual Studio 2019 tidak mendukung proyek .NET 6.0, Anda perlu meningkatkan ke Visual Studio 2022 dan menginstal Ekstensi Kit Pengembangan Microsoft Quantum yang sesuai.

Unduh Katas Quantum

Jika Anda telah menginstal git, klon repositori Microsoft/Quantumkatas:

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

TIP
Baik Visual Studio 2022 dan Visual Studio Code memudahkan untuk mengkloning repositori dari dalam lingkungan pengembangan Anda. Untuk detailnya, lihat Dokumentasi Kode Visual Studio dan Visual Studio.

Jika Anda tidak menginstal git, unduh Katas dari https://github.com/microsoft/quantumkatas/archive/main.zip.

Jalankan Kata sebagai Jupyter Notebook

Cara terbaik untuk menjalankan Katas sebagai notebook Jupyter adalah dengan menavigasi ke folder root repositori dan untuk membuka index.ipynb menggunakan Jupyter:

$ cd QuantumKatas/
$ jupyter notebook index.ipynb

Ini akan membuka buku catatan yang berisi daftar semua katas dan tutorial, dan Anda akan dapat menavigasi ke yang Anda inginkan menggunakan tautan.

Catatan: Ini akan memulai server notebook Jupyter di jendela baris perintah yang sama dengan yang Anda gunakan untuk menjalankan perintah. Jika Anda ingin terus menggunakan jendela itu untuk navigasi, Anda dapat meluncurkan server notebook Jupyter di jendela baru menggunakan perintah berikut:

Untuk windows:

$ cd QuantumKatas/
$ start jupyter notebook index.ipynb

Untuk Ubuntu:

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

Anda juga dapat membuka notebook individual secara langsung, tetapi ini mungkin membuat tautan internal tidak valid:

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

Jalankan Kata sebagai proyek Q#

Setiap Kata berada di direktori sendiri sebagai proyek Q# yang mandiri, solusi, dan triplet notebook Jupyter. Misalnya, struktur direktori dasar adalah:

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.

Untuk membuka Kata BasicGates di Visual Studio 2022, buka file solusi Quantumkatas/BasicGates/BasicGates.sln .

Untuk membuka Kata BasicGates dalam kode studio visual, buka quantumkatas/ folder/ folder. Tekan Ctrl + Shift + P (atau ⌘ + Shift + P pada macOS) untuk membuka palet perintah . Ketik folder terbuka pada windows 10 atau linux atau buka pada macOS.

TIP
Hampir semua perintah yang tersedia dalam kode studio visual ada di palet perintah. Jika Anda macet, tekan Ctrl + Shift + P (atau ⌘ + Shift + P pada macOS) dan mulai mengetik untuk mencari melalui semua perintah yang tersedia.

Anda juga dapat meluncurkan kode Visual Studio dari baris perintah:

$ code QuantumKatas/BasicGates/

Jalankan tes kata

Setelah Anda memiliki Kata Open, saatnya untuk menjalankan tes menggunakan instruksi berikut. Awalnya semua tes akan gagal. Jangan panik! Buka tugas.qs dan mulailah mengisi kode untuk menyelesaikan tugas. Setiap tugas dicakup oleh unit test. Setelah Anda mengisi kode yang benar untuk suatu tugas, membangun kembali proyek dan menjalankan kembali tes, dan tes unit yang sesuai akan lulus.

Visual Studio 2022

1. Bangun solusinya.
2. Dari menu utama, buka Test Explorer ( Test > Windows ) dan pilih Run All untuk menjalankan semua tes unit sekaligus.
3. Kerjakan tugas dalam file Tasks.qs .
4. Untuk menguji perubahan kode Anda untuk suatu tugas, membangun kembali solusi dan menjalankan kembali semua tes unit menggunakan Run All , atau jalankan hanya tes untuk tugas itu dengan mengklik kanan tes dan memilih menjalankan tes yang dipilih .

Kode Studio Visual

1. Tekan Ctrl + ` (atau ⌘ +` pada macOS) untuk membuka terminal terintegrasi. Terminal harus terbuka untuk direktori Kata. Jika tidak, navigasikan ke folder yang berisi file *.csproj untuk Kata menggunakan perintah cd .
2. Jalankan dotnet test di terminal terintegrasi. Ini harus membangun proyek Kata dan menjalankan semua tes unit. Semua tes unit harus gagal.
3. Kerjakan tugas dalam file Tasks.qs .
4. Untuk menguji perubahan kode Anda untuk suatu tugas, dari terminal terintegrasi Run dotnet test lagi.

Untuk kenyamanan, file konfigurasi Tasks.json ada untuk setiap Kata. Ini memungkinkan kode Visual Studio untuk menjalankan langkah build dan menguji dari palet perintah. Tekan Ctrl + Shift + P (atau ⌘ + Shift + P pada macOS) untuk membuka palet dan ketik menjalankan tugas build atau menjalankan tugas uji dan tekan enter .

Jalankan Katas secara lokal dengan Docker

Anda dapat menggunakan DockerFile yang disertakan untuk membuat gambar Docker dengan semua alat yang diperlukan untuk menjalankan Katas dari baris perintah atau Jupyter.

1. Instal Docker.
2. Bangun gambar Docker dan tag katas :

docker build -t katas .

3. Jalankan gambar dalam wadah bernama katas-container dengan baris perintah interaktif dan redirect container port 8888 ke port lokal 8888 (diperlukan untuk menjalankan Jupyter):

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

4. Dari baris perintah yang sama dengan yang Anda gunakan untuk menjalankan wadah, jalankan versi C# dari Kata BasicGates :

 cd ~ /BasicGates/
dotnet test

5. Mulai buku catatan Jupyter di dalam gambar untuk Kata Basicgates :

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

6. Setelah Jupyter dimulai, gunakan browser Anda untuk membuka Kata dalam format notebook. Anda akan membutuhkan token yang dihasilkan oleh Jupyter ketika dimulai pada langkah sebelumnya:

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

Untuk keluar dari wadah Docker tanpa membunuhnya (mode daemon), tekan Ctrl+P, Ctrl+Q

Untuk masuk kembali ke katas-container yang ada (dalam mode daemon):

docker attach katas-container

Setelah selesai, lepaskan katas-container :

docker rm --force katas-container

Berkontribusi

Proyek ini menyambut kontribusi dan saran. Lihat bagaimana saya bisa berkontribusi? untuk detailnya.

Kode Etik

Proyek ini telah mengadopsi kode perilaku open source Microsoft. Untuk informasi lebih lanjut, lihat FAQ Kode Perilaku atau hubungi [email protected] dengan pertanyaan atau komentar tambahan.