AI要約
やること
量子ゲート方式の勉強をしています。これまでに基本的な量子ゲートの使い方を学び、足し算と引き算の量子回路（回路ではないので是非とも量子譜と呼びたい）を作りました。
ここまではGUIアプリを使ってマウスポチポチでゲートを置いてきましたが、やはりPythonでもっと立派な量子計算がしてみたいと思い、新たな課題を考えました。
ずばり、７セグメントLEDで０～Fまでを点灯させます。
詳しくはシリーズを通して解説していきます。
まず今回は、Pythonで量子譜を記述して計算シミュレーションができる「Qiskit」というパッケージの練習をしていきます。
Qiskitとは
QiskitはIBMによって公開されたオープンソースの量子計算パッケージです。
Python環境にpipインストールしてください。最新版はうまく動かなかったのでバージョン1.1.0を入れました。
pip install qiskit==1.1.0
pip install qiskit-aerNOTゲート（最小コード）
最小コードを見てみます。
量子ビットを２個用意して、１個目をHゲートで重ね合わせ状態に。２個目は１個目をNOTしたものとします（※NOT, AND, XOR, ORゲートの基礎は過去記事参照）。
最後にすべての量子ビットを観測します。サンプリング回数は100回。
from qiskit import QuantumCircuit
from qiskit_aer import AerSimulator
#初期化
qc = QuantumCircuit(2)
#同時計算のため入力ビットを重ね合わせにする
qc.h(0)
#処理
qc.cx(0, 1)
qc.x(1)
#計算
qc.measure_all()
backend = AerSimulator(method='matrix_product_state')
result = backend.run(qc, shots=100).result().get_counts()
#解の確認
for r in result:
print(f'{r[::-1]} | {result[r]}/100')01 | 49/100
10 | 51/100解の量子ビットは左から順に並ぶようにしました（元は右から並ぶ）。縦棒の右側は、全サンプリング回数の中で何回この解にHITしたか。
解を見ると [01] と [10] だけが出ています。１個目の量子ビットは分身して２パターンを取り、２個目はそれのNOTになっています。
ここで、このNOTゲートを関数化します。
def NOT(i, j):
global qc
"""
(NOT i) -> j
"""
qc.cx(i, j)
qc.x(j)関数を使ってさっきと同じ計算をしてみます。
#初期化
qc = QuantumCircuit(2)
#同時計算のため入力ビットを重ね合わせにする
qc.h(0)
#処理
NOT(0, 1)
#計算
qc.measure_all()
backend = AerSimulator(method='matrix_product_state')
result = backend.run(qc, shots=100).result().get_counts()
#解の確認
for r in result:
print(f'{r[::-1]} | {result[r]}/100')10 | 55/100
01 | 45/100ちなみに、子譜の画像を保存する場合はこちらのコードを計算前に入れます。
#量子譜の図を保存
fig = qc.draw(output='mpl', scale=1.0, fold=-1)
fig.savefig('circuit.png', dpi=300, bbox_inches='tight')
やはりこの図が表示されると「ゲートやってるぞ」って感じがしますね（初心者）
AND, XOR, ORゲート
ANDゲート
ANDゲートも関数も作ってみましょう。これ以降のゲートでは３量子ビット用意して、入力が２個、出力が１個です。
def AND(i, j, k):
global qc
"""
(i AND j) -> k
"""
qc.ccx(i, j, k)#初期化
qc = QuantumCircuit(3)
#同時計算のため入力ビットを重ね合わせにする
qc.h(0)
qc.h(1)
#処理
AND(0, 1, 2)
#計算
qc.measure_all()
backend = AerSimulator(method='matrix_product_state')
result = backend.run(qc, shots=100).result().get_counts()
#解の確認
for r in result:
print(f'{r[::-1]} | {result[r]}/100')000 | 26/100
010 | 31/100
100 | 24/100
111 | 19/100
ちゃんとANDできていますね。入力が [11] のときだけ出力が [1] になっています。
XORゲート
XORゲートの関数です。
def XOR(i, j, k):
global qc
"""
(i XOR j) -> k
"""
qc.cx(i, k)
qc.cx(j, k)#処理
XOR(0, 1, 2)000 | 15/100
011 | 29/100
101 | 29/100
110 | 27/100
うまくできています。
ORゲート
最後にORゲートです。私の考え方が原始的なせいか、やたらにXゲートを使います。
def OR(i, j, k):
global qc
"""
(i OR j) -> k
"""
qc.x(i)
qc.x(j)
qc.ccx(i, j, k)
qc.x(i)
qc.x(j)
qc.x(k)#処理
OR(0, 1, 2)000 | 23/100
011 | 23/100
101 | 23/100
111 | 31/100
OKですね。
おわりに
さまざまな量子計算を行うための基本的な素子であるNOT, AND, XOR, ORゲートを、Python＋Qiskitで使用することができました。厳密に言えばXORは必須ではないのですが、せっかくCCXゲートが対応しているので用意しておきました。
いよいよ次回から７セグメントLEDの計算に移ります。