MateriApps LIVE!上での量子コンピュータシミュレータの実行
Last Update:2025/02/11
1. はじめに
このレビューでは、MateriAppsで紹介されている様々な量子コンピュータのシミュレータ(blueqat, Cirq, Intel Quantum Simulator, OpenFermion, OpenJij, Qiskit, Qulacs, QuTiP, Strawberry Fields)をMateriApps LIVE!上にインストールし、チュートリアルを実行する方法について解説します。
Pythonベースのシミュレータの場合、Jupyter NotebookやGoogle Colabでの実行が想定されているチュートリアルが多いですが、ここではバッチ処理も想定して、コマンドライン(python3コマンドあるいはipython3コマンド)でPythonインタープリタを起動し、実行してみます。
2. venv環境の準備
ここでは、Pyrhonのvenv環境を新たに作り、その中に量子コンピュータシミュレータをインストールすることにします。ターミナルを開き以下を実行します。
python3 -m venv $HOME/qc
source $HOME/qc/bin/activate
pip3 install --upgrade pip
pip3 install ipython numpy matplotlib pylatexencactivateを実行すると、シェルのプロンプトが(qc) ...のように変化します。これは、venv環境の中にいることを示しています。venv環境から抜けるときには deactivateを実行します。
3. 必要なライブラリのインストール
sudo apt-get update
sudo apt-get -y install libboost-dev pybind11-dev libssl-dev libffi-dev4. blueqat, Cirq, OpenFermion, OpenJij, Qiskit, Qulacs (Python版), QuTiP, Strawberry Fieldsのインストール
pip3を使ってインストールします。1行でインストール完了です。
pip3 install blueqat cirq openfermion openjij qiskit qulacs qutip strawberryfields5. Intel Quantum Simulatorのインストール
GitHubからソースコードをcloneし、コンパイルを行います。Apple Silicon用のMateriApps LIVE! (Docker版)でコンパイルするには2行目のパッチが必要です。
(cd $HOME/qc && git clone https://github.com/iqusoft/intel-qs.git)
(cd $HOME/qc/intel-qs && curl -sL https://github.com/cmsi/MateriAppsPackages/raw/main/qc/intel-qs.patch | patch -p1)
mkdir $HOME/qc/intel-qs/build
(cd $HOME/qc/intel-qs/build && cmake -DIqsPython=ON .. && make)
cp -fp $HOME/qc/intel-qs/include/* $HOME/qc/include
cp -rp $HOME/qc/intel-qs/build/lib/*.so $HOME/qc/lib/$(python -c "import sys; print('python{}.{}'.format(sys.version_info.major, sys.version_info.minor))")/site-packages
ln -s $HOME/qc/lib/$(python -c "import sys; print('python{}.{}'.format(sys.version_info.major, sys.version_info.minor))")/site-packages/libiqs.so $HOME/qc/lib/6. Qulacs (C++版)のインストール
こちらもGitHubからソースコードをcloneし、コンパイルを行います。
(cd $HOME/qc && git clone https://github.com/qulacs/qulacs.git)
mkdir $HOME/qc/qulacs/build
(cd $HOME/qc/qulacs/build && cmake -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release .. && make)
cp -rfp $HOME/qc/qulacs/include/* $HOME/qc/include/
cp -fp $HOME/qc/qulacs/lib/* $HOME/qc/lib/7. チュートリアルの実行
Pythonベースのシミュレータの場合は、ターミナルでpython3、あるいはipython3を実行し、コマンドをコピー・ペーストしながら実行していきます。
図を描いた際に、<Figure size 789.163x785.944 with 1 Axes>のような結果のみが表示され実際に図が表示されないときは、直後に_.show() を実行すると図が表示されるはずです。また、<IPython.core.display.Math object>と表示されて数式が表示されないときは、_.dataを実行することで、LaTeXソースコードを表示することができます。
以下のチュートリアルについて、(量子コンピュータの実機を使うものは除き) MateriApps LIVE!上での動作を確認しています。
blueqat: Blueqat Tutorials
Cirq: Cirq basics
Intel Quantum Simulator: Getting started with Intel Quantum Simulator
- https://github.com/intel/intel-qs/blob/master/tutorials/get_started_with_IQS.cpp
- https://github.com/intel/intel-qs/blob/master/tutorials/get_started_with_IQS.ipynb
- C++プログラムのコンパイル方法(例)
g++ -O3 -I${HOME}/qc/include -Wl,--rpath ${HOME}/qc/lib -L${HOME}/qc/lib example.C -o example -liqs
Qiskit: Learn Quantum Computation using Qiskit
- English: https://qiskit.org/textbook/preface.html
- 日本語: https://qiskit.org/textbook/ja/preface.html
- 実習教材のインストール:
pip3 install git+https://github.com/qiskit-community/qiskit-textbook.git#subdirectory=qiskit-textbook-src
Qiskit: Getting Started with Qiskit
Qiskit: 量子コンピューティング・ワークブック
- https://utokyo-icepp.github.io/qc-workbook/welcome.html
- 単純な量子回路をゼロから書く
- 実習教材のインストール:
pip3 install pylatexenc tabulate (cd $HOME && git clone https://github.com/UTokyo-ICEPP/qc-workbook.git) ln -s $HOME/qc-workbook/source/qc_workbook $HOME
OpenFermion: Introduction to OpenFermion
OpenJij: OpenJij 入門
Qulacs: Python Tutorial
Qulacs: C++ Tutorial
- http://docs.qulacs.org/en/latest/intro/4.2_cpp_tutorial.html
- C++プログラムのコンパイル方法(例)
g++ -O3 -fopenmp -I${HOME}/qc/include -L${HOME}/qc/lib example.C -o example -lvqcsim_static -lcppsim_static -lcsim_static