KPMGとマイクロソフト、Quantinuumとの提携でクラウドによる量子アルゴリズム開発の簡素化を実現

プラットフォームの相互運用性を高め、量子コンピューティング開発者の作業を効率化するための国際的な取り組みであるQIRアライアンスは、産業界全体での量子コンピューティングの採用を加速するためのマイルストーンを発表しました。

※本資料は、Quantinuumが2023年3月23日に公開した資料の抄訳です。

1952年、数学者でコンピュータ科学者であるGrace Hopperは、英単語を使うことでコンピュータ・プログラミングがより便利になるという論文を信じようとしない科学者の反対にあいながらも、Remington Randで働きながらコンパイラに関する自身の最初の論文を発表し、現代のコンパイラの先駆けである「A-0」を書き上げました。

その後、数十年の間に、高レベルのプログラミング言語とマシンコードの間の翻訳を行うコンパイラの原理が形作られ、その最適化をサポートする新しい手法が導入されました。その一つが中間表現（Intermediate Representation, IR）であり、コンパイルプロセスの複雑さを管理するために導入されました。これにより、コンパイラは情報を失うことなくプログラムを表現し、モジュール化されたフェーズやコンポーネントに分割することができるようになりました。

このような発展の過程で、ハードウェアシステム、ミドルウェア、ファームウェア、オペレーティングシステム、ソフトウェアアプリケーションを横断して動作する言語を持つ、現代のコンピュータ産業が誕生しました。また、コンパイラに依存したコードを用いて、基礎となるコンピューティング・ハードウェアを制御し、共同で問題を解決することを生業とする膨大な数の小規模企業や専門家が現れました。

現在、量子コンピューティングでも同様のことが起こりつつあります。高レベルのコーディング言語やツール、そして量子回路（量子コンピュータ上で動作するゲート操作の組み合わせであり、解を生成する）の間の翻訳によって、さまざまな分野のエンジニアや開発者が量子コンピュータを簡単に活用できるようにする取り組みが世界中で行われています。このような取り組みの多くは、CPU、GPU、そしてQPU（Quantum Processing Unit）を必要に応じて活用し、異なる計算モードの長所を生かして問題を解決する量子古典ハイブリッドワークフローに焦点を当てています。

マイクロソフトは、Azure Quantumを通じて複数の量子コンピュータシステムへのアクセスを提供し、この急成長する量子エコシステムに大きく貢献しています。また、量子コンピュータのソースコードを異なるハードウェアシステムやモダリティ間で移植可能にし、エンジニアや開発者にとって量子コンピュータをより便利にするための業界を超えた取り組みであるQIRアライアンスの創設メンバーです。QIRは、Quantinuumの量子コンピュータH-Series向けに設計されたハードウェアプロファイルを含む、量子プログラムの相互運用可能な仕様を提供し、量子と古典のワークフローをクロスコンパイルする能力を備え、ハイブリッドなユースケースを推奨しています。

Quantinuumは、世界最大級のフルスタック量子コンピューティング企業であり、Nvidia、Oak Ridge National Laboratory、Quantum Circuits Inc.、Rigetti Computingなどのパートナーとともに、QIR運営メンバーとして精力的に活動しています。Quantinuumは、ゲート型量子コンピュータ向けソフトウェア開発キットTKET（ティケット）や、量子自然言語処理ソフトウェアツールキットLambeq（ランベック）など、独自のオープンソースソフトウェア開発キットやコンパイラを含む複数のオープンソースエコシステムツールを提供・サポートしています。

KPMGおよびマイクロソフトとの急速な進展

QIRの創設メンバーとして、QuantinuumはKPMGとともにMicrosoft Azure Quantumと連携し、マイクロソフトの量子プログラミング言語Q#とQuantinuumのSystem Model H1, Powered by Honeywellを用いたプロジェクトを実施しました。Q#は量子コンピューティング特有のニーズに合わせて設計されており、古典演算と量子演算をシームレスに融合させることができる高度な抽象化機能を提供し、ハイブリッドアルゴリズムの設計を大幅に簡素化することができます。

KPMGの量子チームは、既存のアルゴリズムをQ#に翻訳し、QuantinuumのH-Seriesの特長的な機能、特に量子ビットの再利用、回路の途中での測定（mid-circuit measurement）、全結合などの機能を活用することを望んでいました。System Model H1, Powered by Honeywellは、量子電荷結合素子（Quantum Charge--Coupled Device, QCCD）アーキテクチャをベースにしたイオントラップ型の量子コンピュータです。KPMGは20量子ビットが全結合を維持しているH1-1 QPUを利用しました。H1-1は、IBMが導入した量子コンピュータの総合的な性能を示す指標である量子ボリューム（Quantum Volume）において、32,768という数値を達成しています（2023年2月23日発表）。

Q#とQIRは、ハードウェア固有の命令を抽象化することで、Michael Egan率いるKPMGのチームがH-Seriesを最大限に活用し、測定条件付きプログラムフロー制御やランタイム内での古典計算のランタイムサポートを利用できるようにしました。

KPMGのチームのNathan Rhodesは、アルゴリズム作成者がKPMGのコードをステップバイステップで使用する方法や、QIR、Q#、H-Seriesの特定の機能を示すために、このプロジェクトに関するチュートリアルを書きました。サードパーティーのコードがMicrosoft Azureのポータルにおいてエンドユーザー向けに公開されるのは初めてのことです。

マイクロソフトは、Azure Quantumでの統合量子コンピューティングの展開を最近発表しています。これは、量子処理と古典処理をより緊密に統合するマイクロソフトのHybrid Quantum Computing Architectureにおける重要なマイルストーンです。

Azure QuantumのPrincipal PM LeadであるFabrice Frachonは、このAzure Quantumの新機能を、スケールアップした量子コンピューティングへと至る道筋において、新世代のハイブリッドアルゴリズムを解放する重要なマイルストーンである、と述べています。

デモンストレーション

研究チームは、量子コンピューティングの有望なユースケースと想定され、交通、ネットワーク最適化、エネルギー生成・貯蔵・分配、その他インフラ課題の解決などの分野への応用が期待されている推定問題を解くために設計されたアルゴリズムを実行しました。反復位相推定アルゴリズムは、QIRツールセットを用いてQ#で書かれたコードから量子回路にコンパイルされ、111個の2-Qubitゲートを含む約500ゲートの回路を生成し、3つの量子ビット（うち1つは3回再利用される）上で動作し、0.92という忠実度を達成しました。これは、高いゲート忠実度（フィデリティ）と、量子ビットの再利用を可能にする低いSPAMエラーによって可能になったものです。

この結果は、Michael A. NielsenとIsaac Chuangによる「量子コンピュータと量子通信（Quantum Computation and quantum information）」にも記載されている、より標準的な形の量子位相推定の結果にも引けを取らないものです。

このプロジェクトに欠かせないQuantinuumH1の5つの機能

1.量子ビットの再利用

2.回路の途中での測定

3.バウンドループ（システムが反復回路を実行する回数の制御）

4.古典計算

5.ネストされた関数

このプロジェクトにより、以下の３点の重要性が示されました。それは、(1) 企業が量子コンピューティングの実験を行い、早期に想定される問題を特定すること、（２）開発環境を理解すること、（３）量子コンピューティングが現在のワークフローやプロセスとどのように統合されるかを理解することの３点です。

世界の量子エコシステムの進展に伴い、QIRのような国際共同の取り組みは、困難な問題に対する新たな解決策を求める産業界のパートナー、才能ある開発者、エンジニア、研究者、そして量子ハードウェアおよびソフトウェア企業を結びつける重要な役割を果たし、深い科学的・工学的知識および専門性を加え続けるでしょう。