量子コンピュータ学習時の手計算を代わりにやってくれるコード組んだ

#量子コンピュータの勉強、いくら紙あっても足りんわ。
……ということで、ゲート演算をいい感じにやってくれるライブラリ作ってみました。
https://github.com/gyu-don/gate_operation

#特徴

• 量子コンピュータの参考書などに出てくる小さい量子回路を再現するのが目的
• メソッドチェーンっぽい書き方ができる
• IPythonやJupyter Notebookなどのインタラクティブな環境での使いやすさを重視
• 回路を作り終えてからシミュレートするのではなく、ゲートを適用するたびに計算が走る
• バックエンドにNumPy版とSymPy版の両方を用意している(ただし　SymPyはNumPyより遅い)
• Qubitと、ユニタリ行列と、後で再利用できるよう操作を覚えておくためのクラスの3種類を用意している
• 現時点ではコロコロ仕様変えるかも。バグったコードをmasterにpushしたりとかもよくある。

##まだだけど、そのうちやりたいこと(上の方が、優先したいお気持ちが強い)

• 高速化
• いろんな量子回路を組んで、examplesとしてgithubに載せる
• ユニタリ行列のフィデリティを計算する機能を追加
• 観測を何度も行うとか、量子トモグラフィ的なやつとか、そういう機能の充実
• Jupyter Notebook用の表示をもっとかっこよくする(Displayとか使う)
• UnitTest作る
• ドキュメント書く
• OpenQLプロジェクトとの統合
• PyPIに登録
• OpenQASMや、qiskitのQuantumProgram、pyquilのProgramへの変換

#使い方
##量子テレポーテーションやってみよう

量子テレポーテーション

import np_gate # NumPy backendを使用

# aliceに何か1Qubitもたせる。
alice = np_gate.Qubit(1).h(0).t(0)

# シミュレータなので、クローンできる。
# |circuit> = |alice>
circuit = alice.clone()

# |0>を2個付け加える
# |circuit> = |alice>|00>
circuit.append_qubit(2)

# 付け加えた2つをベル状態にする
# |circuit> = (|alice>|00> + |alice>|11>) / sqrt(2)
circuit.h(1).cx(1, 2)

# 以下の量子ゲートを適用
# --*--H-----*--
# --|-----*--|--
# --X-----X--Z--
circuit.cx(0, 1).h(0).cx(1, 2).cz(0, 2)

# 1番目、0番目のQubitを捨てる(観測される)
circuit.drop_qubit(1).drop_qubit(0)

# 残ってるやつとaliceのQubitとのフィデリティを取ると、だいたい1になる(テレポーテーション成功)
print(alice.fidelity(circuit)) # => Almost 1

##2ビットのGroverでもっと詳細な使い方
ここに置いてます。
https://github.com/gyu-don/gate_operation/blob/master/examples/Grover%20algorithm%202qubit.ipynb

##Shorの誤り訂正符号(1Qubit送るのに9Qubit使ったら、そのうちの1つがごちゃごちゃになっても復元できるやつ)
ここに置いてます。ちなみに、SymPyでやると9Qubitは非常に計算が重かったので、NumPyでやってます。
https://github.com/gyu-don/gate_operation/blob/master/examples/Shor%20error%20correcting%20code.ipynb

#まとめ

量子コンピュータはいいぞ