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Q#を触ってみた

Last updated at 2017-12-23Posted at 2017-12-23

#Q#を触ってみた

12月11日にMicrosoft Researchが公開したQ#という量子プログラミング言語を触ってみたので、以下に紹介します。量子コンピューティングの基礎も含めて説明してみます。

#Visual Studio 2017のインストール
Microsoft Visual Studio Downloadにアクセスし、Community版をインストールする。既にVisual Studio 2017をインストールしている方は不要です。

#Visual Studio 2017へのインストール

Quantum Computingにアクセスして、Download Nowをクリックする。
使用者情報の入力を求められるので入力してDownload Nowをクリックする。
Visual Studio 2017用のnsixのダウンロードが開始する。ダウンロードしたQSharpVSIX.vsixをクリックしてVS2017にインストールする。

#Q#サンプルプロジェクトのclone

プルダウンメニューの「チーム(M)」をクリックし、「接続を管理(M)」を選択する。
右側の「チームエクスプローラー」タブをクリックし、ローカルGitリポジトリの下の「複製」(git clone)を選択し、アドレス欄に「https://github.com/Microsoft/Quantum.git」を入力した後に、「複製」ボタンを選択する。
ローカルリポジトリに「Quantum」が表示されるので、それをダブルクリックする。すると、ソリューションに「QsharpLibraries.sln」が表示されるので、同様にダブルクリックする。

以上により、ソリューションエクスプローラーにQSharpLibrariesが展開される。QsharpLibrariesには種々の量子アルゴリズムのサンプルプロジェクトが格納されています。内容は以下のとおりです。

##Introduction
###TeleportationSample
量子テレポーテーションのサンプルプロジェクトです。EPRペアにした二つのqubitの片方及びある状態をAliceに渡し、EPRペアのもう片方をBobに渡して、Alice側の二つのqubitを測定した結果に基づいて、Bob側のqubitにXゲート及びZゲートを作用させることで、とある状態をテレポーテーションさせるものです。No-cloning theoremにより、qubitの複製は禁止なので、複製ではありません。

####量子テレポーテーションの量子回路

Teleport.qs

// msg：Aliceが送信するテレポートさせるqubit、there:Bobが受信するqubit
operation Teleport(msg : Qubit, there : Qubit) : () {
        body {

            using (register = Qubit[1]) {
                // EPRペアを作成するためのqubitを用意します。
                let here = register[0];
            
                // 用意したqubitにHadamardゲートを作用させ、制御NOTを作用させることで量子もつれのEPRペアを作り出します。hereをAlice, thereをBobに渡します。
                H(here);
                CNOT(here, there);
            
                // テレポートさせるqubitとhereに制御NOT、アダマールゲートを作用させます。
                CNOT(msg, here);
                H(msg);

                // Aliceがテレポートさせるqubitを観測して1の場合、Bobに渡したqubitにZゲートを作用させます。
                if (M(msg) == One)  { Z(there); }
                // AliceがEPRペアの片方のhereを観測して1の場合、さらにBobに渡したqubitにXゲートを作用させます。
                if (M(here) == One) { X(there); }

                // hereをリセット(|0>にする)します。
                Reset(here);
            }
        }
    }

##Measurement
重ね合わせ状態となったqubit(2^(-1/2)|0> + 2^(-1/2)|1>)に対して測定を行うプロジェクトが含まれています。

##SimpleAlgorithm
以下の3つの量子アルゴリズムのサンプルプロジェクトが含まれています。

パリティ演算を実施するBernstein-Viziraniのフーリエサンプリングアルゴリズム(Ethan Bernstein and Umesh Vazirani*, SIAM J. Comput., 26(5), 1411–1473, 1997)
関数がバランス型か定数型を判別するDeutcsh-Jozsaのアルゴリズム(David Deutsch and Richard Jozsa (1992). "Rapid solutions of problems by quantum computation". Proceedings of the Royal Society of London A. 439: 553. )
Bent関数の隠れシフト問題を解くための相関アルゴリズム(Martin Roetteler, Proc. SODA 2010, ACM, pp. 448-457, 2010)

Algorithm

データベース探索に威力を発揮するGroverのアルゴリズム、素因数分解に威力を発揮するShorのアルゴリズムのプロジェクトが含まれています。

DatabaseSearchSample

Factoring

Characterization and Testing

量子誤り訂正のための3桁ビットフリップコード(Error Correction)、ベイジアン位相推定(Krysta M. Svore,1, Matthew B. Hastings, and Michael Freedman. "Faster Phase Estimation")、Fredkinゲート等の単体試験のプロジェクトが含まれています。

Simulation

水素の量子シミュレーション(O'Malley et. al. Scalable Quantum Simulation of Molecular Energies)、Ising模型のシミュレーション、Hubbard模型のシミュレーションが含まれています。

LibraryTest

Q# Standard Libraryのテストが揃っています。

Microsoft.Quantum.Canon

Q# Standard Libraryの構成部品であるThe Canonが格納されています。The Preludeはターゲットマシンに対応した実装となりますが、The Canonはターゲットマシンに依存しません。