"مقدمه‌ای بر زبان برنامه‌نویسی Q#"

محاسبات کوانتومی که از اصول مکانیک کوانتومی برای پردازش اطلاعات بهره می‌گیرد، اساسا با روش‌های اساسی محاسبات کلاسیک متفاوت است.

محاسبات کوانتومی که از اصول مکانیک کوانتومی برای پردازش اطلاعات بهره می‌گیرد، اساسا با روش‌های اساسی محاسبات کلاسیک متفاوت است. بر خلاف بیت‌های کلاسیک، که می‌توانند ۰ یا ۱ را نشان دهند، کیوبیت‌های کوانتومی می‌توانند بطور همزمان چندین حالت داشته باشند. این مساله موجب افزایش نمایی در ظرفیت محاسبات را فراهم می‌کند. این ویژگی ذاتی، کامپیوترهای کوانتومی را برای کارهایی مانند فاکتورسازی (یا factorizing) اعداد بزرگ، شبیه‌سازی سیستم‌های کوانتومی پیچیده و بهینه‌سازی راه‌حل‌ها برای مسائل پیچیده مانند رمزنگاری یا کشف دارو، قدرتمند می‌کند. کاربردهای بالقوه محاسبات کوانتومی طیف گسترده‌ای از زمینه‌ها از جمله رمزنگاری، هوش مصنوعی، علم مواد و لجستیک را در بر می‌گیرد که نوید انقلابی در صنایع و حل مشکلاتی را می‌دهد که قبلاً با روش‌های محاسباتی کلاسیک غیرقابل حل تلقی می‌شدند.

Q# یک زبان برنامه نویسی مخصوص دامنه (یا domain-specific programming) است که توسط مایکروسافت برای محاسبات کوانتومی توسعه یافته است. هدف اصلی آن این است که توسعه دهندگان را قادر سازد تا برنامه‌هایی را برای رایانه‌های کوانتومی بنویسند، به ویژه برای حل مشکلاتی که رایانه‌های کلاسیک با آنها روبرو هستند. Q# یک زبان سطح بالا است که برای کار با عملیات کوانتومی و کیوبیت‌ها پیشنهاد شدند. این بستر برنامه‌نویسی با زبان‌های برنامه‌نویسی کلاسیک مانند C# و F# ادغام می‌شود و به توسعه دهندگان اجازه می‌دهد تا کدهای کلاسیک و کوانتومی را در یک برنامه و بستر واحد ترکیب کنند. این ادغام ضروری است زیرا انتظار می‌رود کامپیوترهای کوانتومی در کنار کامپیوترهای کلاسیک کار کنند و Q# توسعه برنامه‌های کاربردی ترکیبی کوانتومی-کلاسیک را تسهیل می‌کند.

راه اندازی محیط توسعه کوانتومی برای برنامه نویسی Q# شامل چند مرحله کلیدی است: نصب ویژوال استودیو (توسعه Q# معمولاً با استفاده از Visual Studio IDE مایکروسافت انجام می‌شود)، نصب کیت توسعه کوانتومی (یا Quantum Development Kit) که شامل مجموعه‌ای از ابزارها و کتابخانه‌هایی از قبیل زبان برنامه نویسی Q#، شبیه‌سازهای کوانتومی و منابع دیگر است (که از صفحه رسمی کیت توسعه کوانتوم مایکروسافت قابل دانلوداست)، پیکربندی ویژوال استودیو (پس از نصب ویژوال استودیو و کیت توسعه کوانتومی، ویژوال استودیو را باز کرده و به "برنامه‌های افزودنی یا Extensions"، مدیریت برنامه‌های افزودنی یا "Manage Extensions" بروید. کیت توسعه کوانتومی یا "Quantum Development Kit" را جستجو و سپس نصب کنید تا توسعه Q#  در ویژوال استودیو فعال شود.

در ایجاد یک پروژه Q# جدید، دقت شود از الگوی "برنامه کنسول کوانتومی" یا Quantum Console Application را برای شروع یک پروژه Q# جدید انتخاب کنید. پس از این کار می‌توانید نوشتن کد Q# را در پروژه خود شروع کنید. فایل‌های کد Q# دارای پسوند ".qs" هستند که می‌توان از "built-in quantum simulators" برای آزمایش و اجرای آن‌ها استفاده کرد. از مستندات و آموزش‌های گسترده ارائه شده توسط مایکروسافت در محاسبات کوانتومی می‌توان برای یادگیری برنامه‌نویسی Q# استفاده کرد. به یاد داشته باشید که به طور منظم به‌روزرسانی‌ها و ابزارهای اضافی را که می‌توانند توسعه کوانتومی را بهبود بخشند، را در نظر داشته باشید، زیرا حوزه محاسبات کوانتومی همچنان در حال تکامل است.

در ادامه یک کد به زبان Q# تشریح می‌شود:

در ابتدا با دستور "namespace EntanglementExample" کپسوله (یا encapsulate) می‌شود. سپس با تعریف یک عملیات کیوبیتی "EntangleQubits "، دو نتیجه ارزیابی را با متغیرهای (Result, Result) برمی‌گرداند. در این عمیات با استفاده از تابع Qubit() دو کیوبیت q1 و q2 ایجاد می‌شود. در گام بعدی یک گیت هادامارد H(q1) را به اولین کیوبیت q1 اعمال می‌کنیم تا q1 در وضعیت superposition (چند وضعیتی) قرار گیرد. سپس برای ادغام (یا Entangling) دو کیوبیت‌ از یک گیت کنترل‌شده "controlled-NOT (CNOT) gate CNOT(q1, q2)" استفاده می‌شود. در این شرایط حالت q2 با حالت q1 همبسته می‌شود. در آخر نیز دو کیوبیت با استفاده از M(q1) و M(q2) اندازه‌گیری می‌شوند و نتایج اندازه‌گیری به صورت چندتایی برگردانده می‌شود که وضعیت هر کیوبیت را نشان می‌دهد.

عملیات M یک کیوبیت را در مبنای محاسباتی (0 یا 1) اندازه‌گیری می‌کند و بطورکلی ین برنامه نحوه عملکرد درهم تنیدگی کوانتومی را نشان می‌دهد و یک جفت کیوبیت درهم تنیده را ایجاد می‌کند که به گونه‌ای با هم مرتبط هستند که اندازه‌گیری یک کیوبیت بدون در نظر گرفتن فاصله بین آنها، فوراً وضعیت دیگری را تعیین می‌کند. درهم تنیدگی یک ویژگی کلیدی است که زیربنای الگوریتم‌های کوانتومی مختلف و پروتکل‌های ارتباطی کوانتومی است.

ذکر این نکته ضروری است: در صورتی‌که کامپیوتر کوانتومی واقعی روی لپ تاپ شما وجود نداشته باشد، می‌توان برای راه اندازی یک برنامه Q# از شبیه‌ساز کوانتومی استفاده کرد. شبیه‌ساز کوانتومی به عنوان بخشی از QDK نصب شده است. کلاس QuantumSimulator تعریف شده در Microsoft.Quantum.Simulation.Simulators فضای یک شبیه‌ساز را نشان می‌دهد. در شکل زیر نمونه‌ای از کد Q# را با هدف جمع دو عدد اینتجر با شبیه‌ساز کوانتومی را نشان می‌دهد.

برای اطلاعات بیشتر می‌توانید به آدرس زیر مراجعه کنید:

https://www.c-sharpcorner.com/article/getting-started-with-q-programming/