量子ソフトウェア開発環境のまとめ 2024年版 (量子アセンブリ言語) #QuantumComputing

量子ソフトウェア開発環境について俯瞰したいと思ってまとめ記事を作成しました。次の内容で分割した連載記事になる予定です。

この記事では「量子アセンブリ言語」を紹介します。比較表で量子アセンブリ言語の違いをまとめてあります。
それぞれの言語ごとに論文へのリンクとベル状態(Bell state) のコードサンプルを載せています。

量子アセンブリ言語とは

量子アセンブリ言語とは量子コンピュータやそのシミュレータを動かすためのプログラミング言語でハードウェアには直接依存しません。量子アセンブリ言語を使って量子回路を操作したり値を測定するコードを記述します。

主要な量子アセンブリ言語を開発年順に並べました。

量子アセンブリ言語	サポート団体	開発年	ライセンス	実行環境(シミュレータ)
QMASM	D-wave	2016	BSD-ish	D-Wave Ocean
Quil	Rigetti	2016	APL2.0	qvm
OpenQASM	IBM	2017	APL2.0	IBM Q Emulator
cQASM	QuTech	2018	APL2.0	QX emulator
Blackbird	Xanadu	2019	APL2.0	Strawberry Fields simulator

QMASM は D-wave が開発した量子アセンブラ。量子アニーリング型コンピュータで組み合わせ最適化問題を解くための言語。論文は 2016年に公開されました。
量子アニーリング型のためコードサンプルなし

Quil は Rigetti がサポートしているアセンブリ言語。2016年に論文があります。
PyQuil で Quil のプログラムを生成して quilc でコンパイルします。qvm でシミュレーションできます。

Quil のコード

H 0
CNOT 0 1

OpenQASM は IBM Q が対応しているアセンブリ言語。現状では v3 のドラフトを策定中。OpenQASM v1 と OpenQASM v2 の論文がそれぞれ公開されています。

OpenQASM 2.0 による Bell state のコードサンプル

OPENQASM 2.0;
include "qelib1.inc";

qreg q[2];
creg c[2];

reset q[0];
h q[0];
reset q[1];
cx q[0],q[1];
measure q[0] -> c[0];
measure q[1] -> c[1];

cQASM は QuTech がサポートしてる量子アセンブリ言語。2018年に cQASM v1.0: Towards a Common Quantum Assembly Language の論文が公開されている。libqasm という名前のライブラリで提供されていて C と Python の API があります。

cQASM による Bell state のコードサンプル

qubits 2

.prepare
    prep_z q[0:1]

.entangle
    H q[0]
    CNOT q[0], q[1]

.measurement
    measure_all

Blackbird は Xanadu がサポートするアセンブリ言語。フォトニックモードを使います。2019年に公開された論文があります。

Blackbird を使った Bell state のサンプルコード

version 1.0
target X8_01 (shots=1)

Vac | 0
Vac | 1

BSgate(pi/4, pi) | (0, 1)

Rgate(pi/2) | 1

MeasureFock() | 0
MeasureFock() | 1