量子コンピュータ
シミュレータ
量子ゲートモデル

世界の量子コンピュータシミュレータ・スタートアップ・VCトレンド

はじめに

最先端の量子ゲートモデル研究者の方から素敵な量子コンピュータシミュレータ一覧を教えていただきましたので、眺め始めました。また、スタートアップ、VCなど投資や開発が活発化しています。

(18.10.06追記)XANADU / フォトニクス企業

世界には色々な量子コンピュータの企業があるものです。そのなかで今回はXANADUを取り上げてみたいと思います。

XANADU
https://www.xanadu.ai/

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XANADU /企業概要

まず大きくこう書いてあります。
「A QUANTUM PHOTONIC COMPANY」
どうやらフォトンを利用した研究開発を行なっている量子コンピュータ企業のようです。フォトニック量子コンピュータということですね。

所在地:
トロントにあるようです。

出資:
きちんと企業から出資を受けて運営をしている模様です。ホームページに投資元の企業が書いてあります。

メンバー:
主にクイーンズランドやトロント大学などの人たちが行なっているようです。オーストラリアやカナダはやっぱり量子コンピュータ強いですね。

事業内容:
ハードウェアとソフトウェアの両方を行なっているようです。もう少し詳しくみてみたいと思います。

XANADU /ハードウェア

結構面白いです。常温動作するフォトニックチップを利用して量子ゲートモデルマシンを作っています。

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コアとなる計算原理はフォトンの「スクイージング」のようです。
利点は超電導量子ビットのように冷やさなくていい「常温動作」のようです。

ということで、フォトンを利用した常温動作のハードウェアを研究開発して、周辺技術と一緒に開発を進めているようです。

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フォトニックが大好きな人はトロントへ!

XANADU /ソフトウェア

まず有名なのが、

Strawberry Fields
Open-source software for photonic quantum computing

ということで、フォトニック量子コンピュータ向けのオープンソースソフトウェア「ストロベリーフィールド」を提供しています。

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こちらは、

A full-stack Python library for designing, simulating, and optimizing quantum optical circuits. Includes a suite of three simulators for execution on CPU or GPU.

ということで、CPU/GPUで動作するpythonベースのフルスタックシミュレーターのようです。かつフォトニックマシンでの最適化を行ってくれます。

XANADU /Blackbird

こちらはオリジナルのプログラミング言語のようです。
こちらのページの飛ぶことでインタラクティブなインターフェイスで操作ができます。

https://strawberryfields.ai/

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XANADU /ハードウェア

ハードウェアをより細かくみてみたいと思います。こちらのページ。
https://www.xanadu.ai/hardware/

Xanadu designs and integrates quantum silicon photonic chips into
existing hardware to create truly full-stack quantum computing.

ということで、量子シリコンフォトニクスチップをハードウェアに組み込んでフルスタックの量子コンピュータを実現するとのことです。

1、電子ではなくてフォトン(光子)
Platform: Photonics
Instead of using electrons to carry information and perform calculations, we use photons. Unlike electrons, photons are very stable and are almost unaffected by random noise from heat. We use photonic chips to generate, control, and measure photons in ways that enable extremely fast computation.

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ということで、他陣営とは異なり、電子ではなく安定な光子を使った量子計算を実現しているとのことです。

2、スクイージングを利用
Quantum Resource: Squeezing
“Squeezing” refers to reducing the fluctuations in a light beam. By squeezing light — changing the way it fluctuates at the quantum level — we can access a space of computational problems that no existing conventional supercomputer can tackle.

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スクイーズド状態とは、量子雑音を圧搾した状態のこと。
参考:https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%B9%E3%82%AF%E3%82%A4%E3%83%BC%E3%82%BA%E3%83%89%E7%8A%B6%E6%85%8B

スクイージング等現象を使って量子性を利用しているようです。

3、室温動作
Pathway to Room Temperature
Though some of our equipment does require cooling, this need is incidental and is not a fundamental limitation of our approach to quantum computation. Unlike other electron-based approaches, heat is not a source of noise for our photonic quantum computer. This allows us to build a roadmap to fully room-temperature operation, enabling broad deployment of quantum computers outside of an industrial setting.

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他の超電導は真空かつ極低温で計算しないといけないのと対象的に室温動作を長所にあげています。

4、QUMODES
Qumodes: Beyond Qubits
In traditional quantum computers, information is stored in qubits, which can take on values of 0 or 1 and their superpositions. Our photonic approach uses “qumodes”, where information is encoded in a continuous variable. The amount of information carried in each qumode can be much larger than that in a qubit.

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通常量子ビットは0か1か重ね合わせ状態で表現されますが、ここでは連続量というのを取れることを長所としています。

XANADU /チップ

チップには3つの特徴があります。

「私たちはリソグラフィーで書かれたフォトニック集積回路を使って、最先端のフォトニクスを利用して、チップ製造用のファウンドリを開発しています。」

「レーザー光は、量子プロセッサーチップに動力を与え、ナノスケールのチャネルを通じて移動し相互作用します。」

「計算で圧縮された光の基本的なリソースは、チップ上で生成され、従来のチップでは扱いにくい計算に使用されます。」

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XANADU /周辺技術

チップは周辺技術や測定技術と一緒に実用化されるようです。

「集積された電気部品は、当社のチップを構成可能かつプログラマブルにする。」

「光は、世界で最も高度な光子検出器を使用して測定されます。」

「我々のチップから出現する光子を用いて、量子計算の結果が読み出される。」

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XANADU /ハードウェアまとめ

基本的な光子を利用した計算で測定を通じて計算結果を得るようです。このハードウェアの特性はこのあと紹介するソフトウェアにも活かされているので期待大です。

XANADU /Strawberry Fields

Strawberry Fields
Open-source software for photonic quantum computing

とあるように、ストロベリーフィールズはフォトニック量子コンピュータ用のオープンソースソフトウェアのようです。

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XANADU /概要

こちらにwhitepaperが公開されており、一部概要を和訳(google翻訳)します。
https://arxiv.org/pdf/1804.03159.pdf

我々は、光ベースの量子コンピュータのためのオープンソースの量子プログラミングアーキテクチャであるStrawberry Fieldsを紹介します。 Strawberry Fieldsは、Pythonで構築され、連続可変回路の設計、シミュレーション、最適化、および量子機械学習用のフルスタックライブラリです。このプラットフォームは、3つの主要コンポーネントで構成されています。(i)Blackbirdという名前の使いやすい言語に基づく量子プログラミング用のAPI。 (ii)NumPyとTensorflowで構築された3つの仮想量子コンピュータバックエンドのスイート。 3つの組み込みシミュレータ、および近い将来、光子量子情報処理器を含む様々なバックエンドでBlackbirdプログラムをコンパイルすることができるエンジン。ライブラリには、テレポート、(ガウス)ボソンサンプリング、瞬時量子多項式、ハミルトニアンシミュレーション、変分量子回路最適化などのいくつかのパラダイムアルゴリズムの例も含まれています。

ライブラリなども揃っているシミュレータでPythonで実行できるようです。

XANADU /シミュレータの特徴

ざっくり見て見ます。

1、インタラクティブなGUI
ブラウザからクリックやドラッグで回路が作れます。
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2、GUIからコードへ
コードも自動生成
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3、シミュレーション結果の可視化
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4、実例豊富
プログラム済みの実例豊富です。
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XANADU /githubリポジトリ

githubにリポジトリがあります。
https://github.com/XanaduAI/strawberryfields

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XANADU /インタラクティブ

こちらのサイトからインタラクティブなGUIが使えます。
こちらはあとで詳しく見たいと思います。

https://strawberryfields.ai/

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XANADU /ドキュメント類

ドキュメント類はこちらから
https://strawberryfields.readthedocs.io/en/latest/

結構揃ってて豊富です。

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XANADU /インタラクティブを少し詳しく

ゲートのインタラクティブGUIを見てみると見慣れないコードや設定があります。
概観して見たいと思います。

先程確認したように超電導量子ビットとはちょっと取り扱いも違うところがあるようです。
使い方は簡単で、数の赤線で囲まれた部分のゲートを回路にドラッグ&ドロップでいれてみます。

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IBMQなどと比べるとゲートの種類が違っていて結構面白いです。
ゲートの機能や計算に関してはこのページに記載があるので詳しい人は見て見てください。
https://strawberryfields.readthedocs.io/en/latest/conventions/gates.html

量子状態も複数あるようです。下の方のSimulation Typeで変更ができます。
https://strawberryfields.readthedocs.io/en/latest/conventions/states.html

測定も複数あります。こちらも変更できます。資料はこちら。
https://strawberryfields.readthedocs.io/en/latest/conventions/measurements.html

XANADU /設定

量子ビットの数やゲートの長さを変更できます。

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上部から切り替えられます。

XANADU /アルゴリズム実例

アルゴリズムは実例がたくさん実装されています。
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タブから選ぶことで必要なアルゴリズムが回路にセットされてプログラミングが完了します。

XANADU /まとめ

XANADUはとても真っ当な企業でした。。。
フォトニックマシンを有して開発を行いながら、フォトニックマシン向けの回路を最適化するゲートモデルのアプリケーションプラットフォームを開発しています。

フォトニックマシンは常温動作が可能なのと、比較的低コストで開発が行えることから当面のプラットフォームとして企業の開発を進めていくということだと思います。

(18.10.06追記)QCWARE / はじめに

最近2018年中盤、QCWAREの名前をよく聞くようになってきました。米国の量子コンピュータスタートアップであるQCWAREをまとめてみたいと思います。

QCWARE / 概要

QCWARE
https://qcware.com/

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所在地:
125 University Ave, Suite 260
Palo Alto, CA 94301

米国カリフォルニア州のパロアルトにあります。シリコンバレーですね。

概要:google翻訳しました。
QC Wareは、量子コンピュータで動作するハードウェアに依存しないエンタープライズソフトウェアソリューションを開発しています。同社は、航空宇宙および金融の専門家、物理学者、コンピュータ科学者、および量子アルゴリズムの専門家からなる世界クラスのチームによって2014年に設立されました。 Fortune 500企業、NASA、USRA、その他の政府機関と複数のパートナーシップを締結しました。同社の投資家には、Airbus Ventures、D.E. Shaw Group、Alchemist Acceleratorなどがあります。私たちはカリフォルニア州パロアルトに拠点を置いています。

どうやらクロスプラットフォームのアプリケーションとクラウドのシステムを提供するようです。

QCWARE / パートナー企業

パートナー企業一覧
https://qcware.com/partners

航空宇宙から金融まで大手の企業が勢ぞろいです。すごい。

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QCWARE / チーム

かなりの専門家チームが揃ってます。

チーム一覧
https://qcware.com/team

CEOのMattはイギリス海峡を泳いで渡ったのがポイントのようです。体力勝負ですからこの業界。量子コンピュータ業界はみんな体格がゴツいのも特徴です。

QCWARE / ビジネスカンファレンス

QCWAREはきちんとビジネス対応をしているので、ビジネスカンファレンスを実施しています。かなり有名なカンファレンスで錚々たる企業が参加して、それぞれの企業の活用事例を発表しています。

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カンファレンスの内容もyoutube配信されていますので、ビジネスがきになる方はそちらをチェックするのもいいと思います。主にアニーリングモデルとゲートモデルの話の両方があります。

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QCWARE / IBMQとの繋がり

最近QCWAREはIBMスタートアップに参加してゲートモデルのアプリ開発をがんばっています。

https://www.ibm.com/blogs/research/2018/04/ibm-startups-accelerate-quantum/

QCWARE / まとめ

QCWAREはハードウェアは開発しておらず、現在ソフトウェアを開発しています。主に多分野横断的な開発をしており、ソフトウェア開発者や理論化を中心に採用をして、プラットフォームを取ろうとしているようです。かなり期待が持てますね!

List of QC simulators

各言語ごとにまとまっており、その中にも有名なシミュレータがいくつか入っています。
https://www.quantiki.org/wiki/list-qc-simulators

主要なシミュレータ

上記リストを見るとたくさんありますが、いくつか抜き出して見ました。

C/C++
QX Simulator
description: QX is a high-performance universal quantum computer simulator which simulates the execution of quantum circuits on perfect or error-prone quantum computers. The input of the QX simulator are quantum circuits which are described using a simple quantum assembly language (QASM).
webpage: http://quantum-studio.net/
status: active
C/C++ベースでQASMベースのデルフト工科大学のシミュレータ。

F#
LIQUiD
description: Microsoft Research's F# based simulation platform
webpage: http://research.microsoft.com/en-us/projects/liquid/
repository: https://github.com/msr-quarc/Liquid
status: active
F#ベースのマイクロソフトリサーチのシミュレータ。

Python
Forest
description: An open source quantum programming toolkit and API based on the quantum instruction language Quil. Whitepaper: https://arxiv.org/abs/1608.03355
webpage: http://forest.rigetti.com/
status: under development. Available in private beta
オープンソースのSDKとAPIで構成され、Quilベースのシミュレータ

Quantum Computing Report

海外でスタートアップや企業、投資会社などをまとめたサイトがありましたのでそちらも眺めて見ました。色々参考になります。
https://quantumcomputingreport.com/

スタートアップ

まずはベンチャー企業です。結構な数のソフトウェアやハードウェアのスタートアップがあるようです。
https://quantumcomputingreport.com/players/privatestartup/

こちらもいくつか抜き出して見ます。

1QBit
1QBit is a software and consulting company that solutions to large and difficult problems, using complex algorithms and software development tools utilizing both classical methods and quantum computers. Much of their work involves utilization of quantum annealing hardware. 1QBit has offices in Vancouver and Toronto Canada.
カナダバンクーバーのソフトウェア会社で主に量子アニーリングを活用しています。

D-Wave Systems Inc.
D-Wave was one of the earliest commercial companies formed to pursue quantum computing. There were founded in 1999 in Vancouver, Canada with the goal of making practical quantum computing a reality and have focused on developing a series adiabatic quantum annealing processors that can be used with binary quadratic optimization problems. They recently introduced the 1000+ qubit machine called the D-Wave 2X and are currently the only company offering a quantum computer to the marketplace.
カナダの量子アニーリングマシンのハードウェアメーカー。2012年に世界初の商用化マシンを販売して量子コンピュータに火がつきました。

QC Ware
QC Ware Corp. is an early-stage company developing a cloud-based platform for quantum computing machines. QC Ware’s platform simplifies QC programming and provides low-cost access to QC machines. They are located in Mountain View, California.
カリフォルニアにあるソフトウェアメーカー

Quantum Circuits, Inc.
Quantum Circuits, Inc. (QCI) was founded by three scientists from the Department of Applied Physics at Yale University with expertise in quantum devices and quantum information processing using solid state devices. QCI’s long-term goal is to develop, manufacture, and sell the first practical and useful quantum computers based on superconducting devices. QCI will also commercialize components, devices, and software that will accelerate basic research and enable the scaling of quantum computing. QCI was formed in late 2015 and is based in Connecticut.
エール大学発祥のハードウェアメーカー。

QxBranch
QxBranch is a quantum software company formed in 2014 by executives from Lockheed Martin and Aerospace Concepts. The company’s team has skills in systems engineering, data analytics, machine learning, and quantum computing for finance, insurance, aerospace, and security customers worldwide. QxBranch is headquartered in Washington, D.C., with offices in Hong Kong, London, and Adelaide, Australia.
ワシントンに本社のある防衛やソフトウェアを手がける量子コンピュータシミュレーションソフトウェア

Rigetti Computing
Rigetti Computing, based in Berkeley, California, is building a cloud quantum computing platform for artificial intelligence and computational chemistry. Rigetti recently opened up private beta testing of Forest its API for quantum computing in the cloud. Forest emphasizes a quantum-classical hybrid computing model, integrating directly with existing cloud infrastructure and treating the quantum computer as an accelerator.
カリフォルニアにあるハードウェアとソフトウェアを手がける企業

(余談ですがうちの会社ものってます。)

ベンチャーキャピタル・投資

主なVCと投資先のリストがあります。
https://quantumcomputingreport.com/players/venture-capital/

Venture Capital Investor Portfolio Company
AM Partners Post-Quantum
AME Ventures Rigetti Computing
Andreesson Horowitz Rigetti Computing
Bezos Expeditions D-Wave
Bloomberg Beta Rigetti Computing
Business Development Bank of Canada D-Wave
Canaan Quantum Circuits
CME Ventures 1QBit
Data Collective Rigetti Computing
Draper Fisher Jurvetson D-Wave
Fenox Venture Capital Rigetti Computing
FF Science Rigetti Computing
Fidelity Investments D-Wave
Goldman Sachs D-Wave
GV (formerly Google Ventures) Ionq
GrowthWorks D-Wave
Grupo Arcano Cambridge Quantum Computing
Harris+Harris Group D-Wave
In-Q-Tel D-Wave
Kensington Capital Partners D-Wave
Lux Capital Rigetti Computing
Main Sequence Ventures Q-Ctrl
Morado Venture Partners Rigetti Computing
New Enterprise Associates IonQ
Playground Global Undisclosed
PSP Investments D-Wave
Quantum Valley Investments ISARA
Quantum Wave Fund ID Quantique
QuantumX TBD
Redpoint Ventures Undisclosed
Seier Capital Sparrow Quantum
Sequoia Quantum Circuits
Streamlined Ventures Rigetti Computing
Susa Ventures Rigetti Computing
Sutter Hill Ventures Rigetti Computing
Tim Draper Rigetti Computing
VMS Investment Group Post-Quantum
Vy Capital Rigetti Computing
WTI Rigetti Computing
Y Combinator’s Continuity Fund Rigetti Computing
Undisclosed Investor Xanadu