GPU バックエンドテンプレート

[yasuhito]

これは何?

GPU で動く Cirq (on cuQuantum) をバックエンドとして組込むためのテンプレートです。http://localhost:3000/cirq/ にアクセスすると、標準とは異なるバックエンドで量子回路シミュレーションを行う Qni を起動できます。

(サンプルを実行した様子。でたらめな状態ベクトルを表示するだけ)

サンプルの内容

サンプルバックエンド (apps/www/bin/cirq.py) は Qni で編集した量子回路を JSON で受け取り、ランダムな (でたらめな) 状態ベクトルを返します (上の gif 参照)。実際の量子計算はせず、あくまでサンプル実装です。cirq.py から Cirq (と Qsim, cuQuantum) を呼び出せば、正しい実行結果を Qni に表示することもできるはずです。

Qni から cirq.py への JSON

Qni から cirq.py へは Qni で構築した量子回路のデータが JSON として送られます。

{
  "circuit_id": "{\"cols\":[[\"H\"]]}",
  "qubit_count":1,
  "step_index":0,
  "steps":[[{"type":"H","targets":[0]}],[],[],[],[]],
  "targets":[0,1]
}

JSON の各プロパティの意味はこんな感じです

• circuit_id: 回路を一意に表す ID 文字列
• qubit_count: 回路で使用している量子ビット数
• step_index: Qni で実行結果を表示中のステップ番号
• steps: 回路データの各ステップの配列
• targets: 必要な振幅のインデクス (通常は 0..qubit_count^2 の値)

cirq.py から Qni へ返す実行結果の JSON

cirq.py から Qni へ回路の実行結果 (状態ベクトル) を JSON で返します。回路が 5 ステップある場合には、次のように 5 要素の配列となり、それぞれがステップの実行結果になります。"amplitudes" は振幅を表していて、振幅を表す複素数が [実部, 虚部] の形で入ります。

[
  {"amplitudes": {"0": [0.14339366384416108, 0], "1": [0.652660119020844, 0]}},
  {"amplitudes": {}},
  {"amplitudes": {}}, 
  {"amplitudes": {}},
  {"amplitudes": {}}
]

cuQuantum とつなぐには

cirq.py の中で cuQuantum 入りでビルドした cirq を import すればできるはずです。実装は多少異なりますが、理研中田さんによる実装 #83 が参考になるかもしれません。

メモ

Cirq の Mac へのインストール方法
https://quantumai.google/cirq/start/install#installing_on_mac_os_x

TODO

• CI のエラーを修正 (@yasuhito)

[yasuhito]

状態ベクトルがおかしくなる現象ですが、以下の 2 点の修正が必要です。

1. ゲートの配置を上下逆にする (Qni のリトルエンディアンから CIrq のビッグエンディアンへ)
2. ゲートを置かない位置に I ゲート (= 単位行列) を置く。

以下、Cirq で X ゲートだけを使った簡単な回路を実行するためのコードです。まずはこちらで実験してみて、1, 2 の修正をすればノーマルな Qni の実行結果 (状態ベクトル) と同じになることを確認してみてください。

import cirq

circuit = cirq.Circuit()
qubits = cirq.LineQubit.range(4) # 0, 1, 2, 3 を連番で準備
simulator = cirq.Simulator()

# ゲートを置く
#
# - 上下を逆にすると Qni の結果と等しくなります。
# - 1, 2 行目をコメントアウトし I ゲートを置かないようにすると、X ゲートのない量子ビットは無視されるので、
#    1 量子ビットの回路になります (Cirq が勝手に圧縮する)。
circuit.append(cirq.I(qubits[0]))
circuit.append(cirq.I(qubits[1]))
circuit.append(cirq.X(qubits[2]))

print(circuit)
print()

# 回路をステップごとに表示
for index, step in enumerate(simulator.simulate_moment_steps(circuit)):
    print(index)
    print(step.state_vector())

参考

Cirq のドキュメント (Cirq はビッグエンディアン) https://quantumai.google/reference/python/cirq/SparseSimulatorStep#state_vector