量子コンピュータの言語「Q#」を試す

はじめに

こんにちは。
エス・エー・エス株式会社　人材戦略部の須川（すがわ）です。

本記事は、今からおよそ6年前の2017年12月にMicrosoft社から発表された量子コンピュータの言語である「Q#(キューシャープ)」を試したレポートです。
当時2018年6月頃に新しい物好きでミーハーな私は「これが未来や！」、と意気込んで試したのですが、その後使う機会もなく、見事に忘れてしまいました。

業務で使う分野もほぼなく、量子コンピューターの普及も当時の盛り上がり程に進んでいないこともあり、仕方ない部分もあるのですが、せっかくなので復習がてら、基礎から再び始めていこうと思います。

因みに、本言語は「Q言語」と呼称することもあるようですが、Q言語だと某日立製とかぶっていることもあり、私は一貫して「Q#」と記載させていただきます。

Q#と、その動かし方

前述の通りですが、「Q#」とは量子アルゴリズムを表現するためにMicrosoft社によって開発されたドメイン固有言語になります。

Q#を使い量子コンピューター特有の様々な挙動を確認する方法はいくつか用意されています。

Q#スタンドアロンによる実行
Q#と .NET言語の組み合わせにより、Q#を実行
IQ#カーネルを使い、Jupyter Notebookから、Q#を実行

また、実行環境もローカルマシンで実行する方法と、Azure Quantumを用いたリモートマシンでの実行する方法の2種があります。

ローカルマシン上で動かす場合、量子コンピューター上の挙動は全てシミュレーションになりますので、実際には量子コンピューターでの挙動ではありません。
一方で、Azure Quantumを用いる場合には、ジョブを現存する量子コンピューターに対し、演算を要求することができ、実際に量子コンピューターが演算した結果を得ることができます。
しかし、これには当然量子コンピューターリソースを利用したことによる使用料金がかかります。
普及のためか、Microsoft社は初めて使用するユーザーには$500のAzure Quantumクレジットを配布しており、これを使うことで$500分まで実質的に無料で使用可能です。

なお、Azureアカウントの種別により、無料で使用するための条件には若干の違いがありますし、時間の経過とともにプランが変わる可能性があります。もし、これからやってみようと考えている方は、その都度Microsoft社のドキュメントを読むことを忘れないようにしてください。（Azure Quantum ワークスペースを作成する - Azure Quantum | Microsoft Learn）

Azureへのアクセス

今回はAzure Quantumへアクセスし、Microsoft社から頂いた無料分の$500を使って、実際に量子コンピューターを動かしてみたいと思います。
以前はQDKをダウンロードしてローカルマシンで動かしていたので、Azureへアクセスする為に、新しくアカウントを作ります。（既にAzureアカウントを持っている場合は、そのままログインしてください）

メールアドレスを登録し、必要な諸情報を入力、アカウントの新規登録を行います。

プロフィールとカード情報も入力を求められます。
それらを全て入力したら、サインアップボタンから、アカウントを作成します。

Azure Quantumワークスペースの作成

サインアップ完了後、Azure Portalへアクセスします。

Azure Portalから、リソースの作成を選択します。

検索ボックスに「Azure Quantum」と入力し、リソースを検索。
Azure Quantumというリソースが見つかるので、これを作成します。

Azure Quantumの概要説明が表示されますので、再度作成を選びます。
プランは現時点では1つしかありません。

ワークスペース作成時、「簡易作成」と「高度な作成」を選ぶことができますが、今回は「簡易作成」を選び、推奨設定で進めていきます。記載されている通り、ワークスペースに関する設定は後から変更する事が可能です。

ワークスペース名に「QuantumTestProject」と入力し、リージョンは「Japan East」を選択しました。
（ワークスペース名は重複が許されないようです）

作成を押下すると、ワークスペースのデプロイが始まります。
デプロイはちょっと時間がかかり、私が実施した時は、だいたい10分程かかりました。

NotebooksからQ#を実行

デプロイが完了後、コードを実行する為、Notebooksにサンプルコードをコピーします。
操作→Notebooks→Sample galleryを選択し、その中にある「Hello, world: Q#」を探します。
Copy to my notebooksというボタンがあるので、これを押下するとMy notebooks（自分の作業スペース）へコードをコピーしてくれます。

これでサンプルコードを実行する準備は整いました。
あとはコピーされたHello, world:Q#のノートブックを開き、サンプルコードを実行してみます。
全てのコードを記載してしまうと長くなりますので、割愛しますが、最後の結果だけを見てみます。
結果は「0」と「1」が同じ数だけ生成されているようです。

サンプルコードは何をしている？

今回実行したコードは「量子乱数生成ジェネレーター」になります。
量子コンピューターにおける量子ビットとは”重ね合わせ(英：Coherence)”に入る事のできる情報単位、と定義されています。
量子ビットは通常のビットと大きく違う点があり、それがまさにこの”重ね合わせ”になります。
通常、ビットという情報単位は「0」または「1」ですが、量子ビットは「0」、「1」、「0と1」という3つの状態をとることが可能です。
この最後の「0と1」という状態を”重ね合わせ”と呼びます。（厳密には”0と1の重ね合わせ”と呼称するのが正しい様です）

今回のサンプルコードは、量子ビットを「0と1」という重ね合わせの状態にし、「0」と「1」の両方を等しい確率で測定する可能性を持たせています。
これにより、測定前の段階では「0」と「1」のどちらとして測定されるかは分かりませんが、等しい確率でどちらを測定する可能性もあり、「0」と「1」は常に半々（１：１）の確率で読み取られます。

つまり、0が測定される可能性が50%、1が測定される可能性も50%です。
この特性を利用して「0」と「1」のどちらかの値をランダムに生成する、という乱数ジェネレーターになっているわけです。

そして、結果は見事に、50%ずつ「0」と「1」に分かれています。
結果だけを見てしまうと、何が行われて、何が量子コンピューターを使って得た結果なのかが、分かりにくいのが難点ではあります。

なお、量子コンピューターや量子ビットに関する原理・定義に関し、詳細な解説を求められる方は、専門の書籍を購入し、学ばれることを強く推奨いたします。