Microsoft Build 2018 のQ#関連のセッションの整理

Q# が発表されてから、おそらく公式のカンファレンスでは初めてではないかと思いますが、先週シアトルで行われたBuild 2018で技術解説セッションがありました。Youtubeでセッションが公開されているので、それを見た雑多なメモを残しておきます。

Empowering the quantum revolution with Q

youtu.be

マイクロソフトのユニークなソリューション

統合的なソリューション Q#/Quantumn SDKを含めたソフトウェア開発キットや、Azureで提供されるというシミュレーターを含めた提供
スケーラブルなトポロジカル量子コンピューティング IBMやGoogleとは異なる、トポロジカル超伝導体のマヨラナ粒子を利用するといわれるスケーラブルな量子コンピューターを開発中
大胆な投資とグローバルなチーム昨年のIgniteで見せていたデバイスは世界中の研究室を巡って開発している

なぜ量子コンピューターか

たとえば2つの大きな素数の積の整数を素因数分解する問題を考えた場合、古典的コンピューターよりも量子コンピューターの方が圧倒的に早いことが期待されている。このような古典的コンピューターでは指数関数的に計算量が爆発する問題を、量子コンピューターでは線形程度の増加で抑えることができる。

今後、自然科学の分野で量子コンピューターが利用されることが期待されている。

Microsoftのめざす量子コンピューター

光が波と粒子の性質を兼ね備える、というところから説明がスタート。

30 qubitsで16Gb 40 qubitsで16Tb 50 qubitsで16Pb に相当。

重ね合わせ、量子測定、もつれ、などの物理現象と関連。

マヨラナ粒子は理論的には予測されていた。2000年、Micorosoftはマヨラナ粒子を利用したコンピューティングを数学者とともに進める。 2012年にその兆候を実験室で観測。

現在、GoogleやIBMなどがすでにQubitsを実現しているが、それらのスケーラビリティとエラーレートはそれぞれ違う。Microsoftはスケーラブルかつエラーレートの低いQubitの実現に向けて動いている。最初のエンタープライズレベルにスケーラブルなQubitを。いまの方向がそれを実現できるものだと信じている。

Qubitは15mKほどの低温の孤立した環境で実現している。これは希釈冷凍機を利用して実現しており、液体窒素(77K)、液体ヘリウム(4K)、宇宙背景放射(3K)より低い。量子コンピューターそのものは15mKにあるが、希釈冷凍機のコンピューターと制御ソフトウェアは4Kにあり、量子コンピューターとは数千のワイヤーで繋がっている。また、ライブラリを利用して記述して、実際の問題を解くために動かすソフトウェアは室温部分にある。

この、量子コンピューター、制御ソフトウェア、ライブラリと開発言語の3つのスタックが必要だと考えている。スケーラビリティに必要なものは次のようなものだと考えている。

スケーラブルなQubitの基礎
冷凍装置
量子と古典的コンピューターのインターフェース
量子エラーを識別し訂正するための新しいプラットフォームの開発
スケーラブルなソフトウェアスタック
Azureとの完全な統合
アルゴリズムと現実世界の問題

「スケーラブルなエンタープライズ量子コンピューターを最初に提供する」が今のところの目標らしい。

Microsoft Quantum Development Kit

量子ロジックのルール

全ての操作は可逆的でなければならない
測定は状態を破壊する
状態を複製できない

量子状態をブロッホ球で表現する

古典的操作と量子操作の比較

古典的操作
- 1bit: NOT
- 2bit: NAND/NOR n bit での全ての操作はn 入力をもつNANDgatesの有限回の操作で実現できる
量子操作
- 1 qubit
  - X,Y,Z パウリ回転
  - 位相演算子 S, H ゲート
- 2 qubit
  - CNOT n qubitsでの全ての操作は、クリフォード群とT ゲートの有限回の操作で実現できる
古典的コンピュータードモルガンの法則で式の削減と変換ができる
量子コンピューター Clifford群はパウリ群を共役作用のもとで不変である

Q#言語の特徴

ブロックスタイルの記述に近しい
関数型言語に触発されている
- デフォルトでイミュータブル
- ファーストクラスの関数
- 部分適用
強い型システム
- ジェネリクス
量子特有のコンセプト
- Functor
- リソース管理
- 古典制御部分との相互作用の削減

Q# 言語の論理モデル

Q# ライブラリとコードでホストプログラムを動かす。動かす先は、シミュレーターもしくはDriver経由で実際の量子ハードウェア、もしくはAzureシミュレーター。

QDK ライブラリ

HW固有のゲートをきれいに表現
包括的なライブラリ
- 数学
- 位相推定、振幅増幅、QFT(量子フーリエ変換)
- ハミルトニアンシミュレーター
- 誤り訂正と蒸留
- Quantum Characterization Verification & Validation （QCVV
- Functional Abstraction & Combinator
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