GNURadioの量子ファームウェア拡張の概要：ブロック解説編

今回は、前回の「量子ファームウェアとは？」の続きとなります。具体的な内容としては、実際に行うGNURadioの拡張について、解説していきます。

まずは、今回拡張を行ったブロックです。

Usage

ゲート系

1量子ビットのゲート

• X
  • ビット反転演算
• Y
  • 位相反転演算
• Z
  • 位相・ビット反転演算
• H
  • アダマール演算
• S
  • Pai/2位相シフト演算
• T
  • Pai/4位相シフト演算

2量子ビットのゲート

• CNOT
  • 制御NOTゲート
• CTRL junction point
  • 制御ゲートが影響を与える先

特殊なゲート

• readout演算子
  • readoutを実施する。実質の観測用ゲート
• 初期化演算子
  • 量子ビットの状態を初期化する。
• wait演算子
  • ナノ秒数waitする
  • これで各ゲートを同期させる

観測系（measurement）

• 標準規定測定（Constellation Measurement）
  • 観測後の確率表示
• ブロッホ測定（Bloch Measurement）
  • 量子ビットの断層撮影表示
• 量子シミュレータ・観測器（Qubit Detector）
  • コンパイラのほうに処理結果を返すもの
  • 値を表示するもの

操作系(controller)

• 量子ファームウェア実行エンジンソース（Quantum Coprocessor）
  • スクリプトを実行して、波形を出力する
• Initializer
  • 定数などのセットアップをするブロック
  • シミュレートモード（時間倍率などを変更）
• 量子シミュレータ・実行器（Qubit Simulator）
  • 内部的には接続されていて、状態を両方で保持する。入出力を多数にする方法で多量子ビットを表す。
• 同期（Sync Qubit）
  • 2量子ビット以上利用するときに同期を行う
  • FPGA拡張するときに利用する

IBM Qなどを触ったことがある人なら、ビンと来るかもしれませんが、そうじゃないと何のことか全くわからないと思います。そこで、1QubitをXゲートするサンプルを示します。

Initializerブロック～readoutブロックの間にgate系のブロックを挿入することで、Qubit(量子ビット)を操作するという感じです。そして、その操作内容はQuantum Coprocessorブロックによって解釈され、各ゲート操作をするための電波をGate Portから出力し、 Qubit Simulatorブロックが解釈してQubitを動かします。 観測（読み出し）時は、readout Portからreadout電波を出力して、 Qubit Detectorブロックがその電波を解釈して、結果が出力されます。

この時の各出力される電波が、 「量子ファームウェアとは？」 で解説した形の電波となります。実際には、各ゲートごとでこれらの周波数や強度、照射時間が違うのです。