scaluq

scaluq は、量子回路シミュレータ Qulacs をもとに再開発された、新しい Python/C++ ライブラリです。 大規模な量子回路、ノイズを伴う量子回路(未実装)、パラメトリック量子回路の高速シミュレーションを実行することができます。 本ライブラリは、MITライセンスの下で公開されています。

Qulacs に比べ、以下の点が改善されています。

• Kokkos をベースとした実装により、実行環境(CPU/GPU) の切り替えを容易に行うことができます。切り替えの際にコードを変更する必要はありません。
• よりよい実行速度を実現します。
• ポインタをユーザから隠蔽したことにより、より安全に、簡単に記述できます。
• nanobind の導入により、よりコンパクトかつ高速な Python へのバインディングを実現します。
• 複数の量子状態に対して同じ回路を適用させるようなケースに対して、より高速なインターフェースを提供します（未実装）。

依存ライブラリ

• Ninja 1.10 以上
• GCC 11 以上
• CMake 3.21 以上
• CUDA 12.2 以上（GPU利用時のみ）

C++ ライブラリとしてインストール

Qulacs2023 を静的ライブラリとしてインストールするには、以下の一連のコマンドを実行します。

git clone https://github.com/qulacs/scaluq
cd scaluq
./script/build_gcc.sh

NVIDIA GPU と CUDA が利用可能ならば、以下のコマンドで GPU バージョンをインストールできます。ビルドスクリプトの実行の際に SCALUQ_USE_CUDA オプションを付けます。

SCALUQ_USE_CUDA=ON ./script/build_gcc.sh

ただし、オプションを変更して再ビルドする際には、CMake にセットされたキャッシュ変数をクリアするため、必ず以下のコマンドを実行してください。

rm build/CMakeCache.txt

Python ライブラリとしてインストール

Python のライブラリとしても使用することができます。

pip install scaluq

GPUを利用する場合は、リポジトリをクローンしたのちにインストールします。

git clone https://github.com/qulacs/scaluq
cd ./scaluq
SCALUQ_USE_CUDA=ON pip install . 

Python ドキュメント

Python ライブラリとしてインストールした際の、関数の説明や型の情報がまとめられている、簡易的なドキュメントを用意しています。以下のリンクから確認できます。 https://scaluq.readthedocs.io/en/latest/index.html

サンプルコード(C++)

#include <iostream>
#include <cstdint>

#include <circuit/circuit.hpp>
#include <gate/gate_factory.hpp>
#include <operator/operator.hpp>
#include <state/state_vector.hpp>

int main() {
    scaluq::initialize();  // must be called before using any scaluq methods
    {
        const std::uint64_t n_qubits = 3;
        scaluq::StateVector state = scaluq::StateVector::Haar_random_state(n_qubits, 0);
        std::cout << state << std::endl;

        scaluq::Circuit circuit(n_qubits);
        circuit.add_gate(scaluq::gate::X(0));
        circuit.add_gate(scaluq::gate::CNot(0, 1));
        circuit.add_gate(scaluq::gate::Y(1));
        circuit.add_gate(scaluq::gate::RX(1, std::numbers::pi / 2));
        circuit.update_quantum_state(state);

        scaluq::Operator observable(n_qubits);
        observable.add_random_operator(1, 0);
        auto value = observable.get_expectation_value(state);
        std::cout << value << std::endl;
    }
    scaluq::finalize();  // must be called last
}

サンプルコード(Python)

from scaluq import *
import math

n_qubits = 3
state = StateVector.Haar_random_state(n_qubits, 0)

circuit = Circuit(n_qubits)
circuit.add_gate(gate::X(0))
circuit.add_gate(gate::CNot(0, 1))
circuit.add_gate(gate::Y(1))
circuit.add_gate(gate::RX(1, math.pi / 2))
circuit.update_quantum_state(state)

observable = Operator(n_qubits)
observable.add_random_operator(1, 0)
value = observable.get_expectation_value(state)
print(value)