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title: 量子コンピュータ・システムの作り方
tags:  #量子コンピュータ #クラウド  
author: [Satoyuki Tsukano](https://www.docswell.com/user/snuffkin)
site: [Docswell](https://www.docswell.com/)
thumbnail: https://bcdn.docswell.com/page/DJY2NLGGJM.jpg?width=480
description: 量子コンピュータは新しい計算技術として注目され、世界中で研究開発が進められています。しかし現状では、「コンピュータ」というよりも「実験装置」に近い存在であり、OSもなく、標準的なレイヤ化も確立されていません。ITシステムとして安定運用するためには、従来コンピュータが発展してきた経緯や設計思想を踏まえ、数多くの課題を解決する必要があります。  本セミナーでは、量子コンピュータの概要を簡単に紹介した後、実用的な量子コンピュータを安定的に運用するために必要な研究開発について解説します。また、大阪大学が進める量子コンピュータのクラウドサービス運用事例や、多数のソフトウェアをオープンソース化する取り組みについてもご紹介します。大阪大学では「量子コンピュータのLinux」を目指して活動を展開しており、その実態や挑戦を通じて、新しい計算技術をITシステム化する面白さをお伝えします。  (これは、オープンソースカンファレンス2025 Tokyo/Springでのセミナー資料です　https://event.ospn.jp/osc2025-spring/session/2012996)
published: February 27, 25
canonical: https://www.docswell.com/s/snuffkin/54VM7N-2025-02-27-091314
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【オープンソースカンファレンス2025 Tokyo/Spring】
量子コンピュータ・システムの作り方
2025/02/21(金)
大阪大学 量子情報・量子生命研究センター(QIQB) 特任研究員
束野 仁政(つかの さとゆき)
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# Page. 2

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自己紹介
つかの さとゆき
@snuffkin
量子クラウドの中の人
◆量子コンピュータ・エンジニア
• ソフトウェア開発会社を経て、
大阪大学量子情報・量子生命研究センター(QIQB) 特任研究員
• 量子コンピュータのシステムソフトウェアに関する研究・開発・運用
◆量子コンピュータの面白さを広める活動
➢「ラズパイ電子工作&amp;光の実験で理解する量子コンピュータ」
(CQ出版社・共著)
➢「量子コンピュータの頭の中」(技術評論社)
➢ ビジネス書でも専門書でもない。難しい量子力学は無しで、
計算したりプログラミングしたり、手を動かして理解する入門書
➢ 数式で理解する量子コンピュータの本で一番簡単だと思います
➢ 大学1年生の輪講でも使われていて、好評のようです
➢ 384ページ。図が180個くらい。
書泉グランデ
数学書 年間ベスト4
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私が量子コンピュータを開発している理由
• 従来コンピュータが発展し、生活を変えていく様子を見て育った
• そういう変化を、今度は自分たちが作りたい
↓
• 量子コンピュータの発展に内側から貢献したい
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本日お話する内容
• ITシステムの目線で見た量子コンピュータの話
• 量子力学や実験装置(物理デバイス)話は、ほぼ登場しません
• 目次
1. 量子コンピュータの歴史と量子コンピュータ概要
2. 量子クラウドの歴史
3. 現在の量子クラウド
4. 量子コンピュータ・システムの内側
5. まとめ
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量子コンピュータの歴史と
量子コンピュータ概要
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量子ンピュータの歴史
• 1980年代にファインマン等により提唱
• 2010年代後半から、各国で研究が活発化
• 2019年 Googleが特定の計算でスパコンより高速化(当時)
• 特定の計算の高速化が期待されており、開発中
(実用化はまだ先)
ファインマン
スパコンで1万年の
計算を200秒で解いた
(実用性のない問題)
“Quantum supremacy using a programmable superconducting processor”(2019)
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1666-5
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# Page. 7

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量子コンピュータとは？
• 量子力学の性質を利用して、高速に計算を行うコンピュータ
• 量子重ね合わせや量子もつれを利用して計算を行う
線形代数の言葉で標語的に表現すると、
• (特定の)ユニタリ行列のかけ算を高速に行える
• 𝑛量子ビットは、2𝑛 次元ベクトルを表現できる
• 量子ビットに対して、扱えるベクトルのサイズが指数的に大きい
• 従来コンピュータで𝑚 × 𝑚行列のかけ算の計算量はO(𝑚2.37 )くらい
高速なアルゴリズムを発見できた計算が高速になる
• あらゆる計算が高速になるわけではない
• スパコンなど、従来コンピュータとは共存
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量子コンピュータの計算
• 0と1ではなく、球面の点で表す(1量子ビットの場合)
• |0ۧと|1ۧと表記する。| ۧをケット記号と呼ぶ
➢1量子ビットに多くの情報を詰め込める
量子力学による計算ルール
• 球面上のどこにいるか、直接わからない
• 測定する(見る)と、|0ۧか|1ۧに変化する
➢測定するまでは、|0ۧか|1ۧか決まらない
• どちらに変化するか、確率的に決まる
➢|0ۧに変化する確率 = (1 + 𝑧)/2
➢|1ۧに変化する確率 = (1 − 𝑧)/2
半径1の球面
(ブロッホ球)
測定
測定
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# Page. 9

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量子コンピュータの計算
• 球面上を回転させて計算する
Xゲート
X軸で180°回転
Yゲート
Y軸で180°回転
Zゲート
Z軸で180°回転
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# Page. 10

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量子コンピュータの計算
• 重ね合わせ
• |0ۧでも|1ۧでもない状態(重ね合わせた状態)
• 右の図の座標は(1,0,0)
• 𝑧 = 0なので次のようになる
➢|0ۧに変化する確率 = (1 + 𝑧)/2 = 1/2
➢|1ۧに変化する確率 = (1 − 𝑧)/2 = 1/2
• 測定するまで、|0ۧか|1ۧか決まらない
測定するたびに結果が変わる
→従来コンピュータと異なる計算ルール
• 測定して得られる値は1個(並列計算と異なる)
シュレディンガーの猫
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# Page. 11

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量子コンピュータの計算
• 量子もつれ
• 量子ビット同士が相関する
• 量子コンピュータの計算で
よく利用される
• 2022年ノーベル物理学賞の
受賞テーマは量子もつれの研究
離れた量子同士が
相関する
アスペ
クラウザー
ツァイリンガー
• 量子複製不可能定理
• 「任意の量子状態を複製する」
ような操作は存在しない
→計算途中でバックアップできない
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# Page. 12

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量子クラウドの歴史
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# Page. 13

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量子コンピュータのクラウド化
• 実験装置からITシステムへ
• 2016年 IBMが量子コンピュータをクラウド公開
• 公開した頃の様子がIBMのブログで紹介されている
https://research.ibm.com/blog/quantum-five-years
• 当時は5量子ビット。現在は156量子ビットの実機が一般利用可能
• Qiskit(量子ブログラミング・ライブラリ)はなく、GUIから利用していた
2016年当時の画面
• クラウド化の効果
https://wired.jp/2016/05/09/ibm-letting-anyone-playquantum-computer/
• クラウド化する以前は、実験の研究者しか
扱えなかった
• 誰でもいつでもどこからでも、利用可能
• 理論の研究者だけでなく、一般の方も
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# Page. 14

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クラウド化により、参入者が増加
• 2019年 AWSがAmazon Braketを開始
https://aws.amazon.com/jp/blogs/news/amazon-braket-get-started-with-quantum-computing/
• 2020年 MicrosoftがAzure Quantumを開始
https://cloudblogs.microsoft.com/quantum/2020/05/19/azure-quantum-preview-new-developer-training-learning-tools/
クラウド公開されている実機(一部)
超伝導
イオン
トラップ
中性原子
光
※SpinQはNMR方式の実機も公開している 14


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日本の量子コンピュータ地図(～2025年予定)
ロゴは開発した機関
共同研究の場合は先頭の機関のロゴを記載
凡例
導入機関(場所)
方式
理研(埼玉県和光市)
超伝導,光,イオン
産総研(茨城県つくば市)
中性原子,超伝導,光
大阪大(大阪府豊中市)
超伝導
OQC(東京都江東区)
超伝導
理研(兵庫県神戸市)
超伝導
東京大(神奈川県川崎市)
超伝導
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# Page. 16

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現在の量子クラウド
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# Page. 17

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クラウド公開されていた最大の量子コンピュータ(IBM)
◆IBMが433量子ビットの超伝導量子コンピュータを公開(2023年5月)
• 利用するには特別な契約が必要
• 2025年2月時点では、非公開
2016年当時の実機(5量子ビット)は
今は公開されていない
紫色の箇所は、実行精度が低い箇所
利用者やトランスパイラは精度の高い箇所を選べる
紫色(19量子ビットある)はエラー率が1のため、
動作していないと思われる(2023年8月時点)
1000量子ビット級のハードや、3次元チップの
ハードが出てきたら表現に工夫が必要
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# Page. 18

![Page Image](https://bcdn.docswell.com/page/GJWPR8DW72.jpg)

実際、何量子ビットが利用できているか？
世界初の大規模な
量子コンピュータ実機利用調査
実機利用論文のarXivへの投稿数
Current numbers of qubits and their uses. Nat. Rev. Phys. (2024)
arXiv:2307.16130
2022年12月のarXivで利用された量子ビット数
• 平均値 10.5
• 中央値 6
実機利用論文の量子ビット数
データベースも公開しています
https://fujiilabcollaboration.github.io/qc_survey_site/
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# Page. 19

![Page Image](https://bcdn.docswell.com/page/4EZKR8G2E3.jpg)

量子コンピュータの現状
現在の量子コンピュータは
ライト兄弟の初飛行に
たとえられるような段階
Scott’s Supreme Quantum Supremacy FAQ!
https://www.scottaaronson.com/blog/?p=4317
大勢乗せる（大量の量子ビットを扱う）
安全に飛ぶ（正確に計算する）
長時間飛ぶ（長時間計算する）
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# Page. 20

![Page Image](https://bcdn.docswell.com/page/Y76QRPQ67V.jpg)

量子コンピュータ・システムの内側
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# Page. 21

![Page Image](https://bcdn.docswell.com/page/G75R8KR5E4.jpg)

阪大の超伝導量子コンピュータ
制御装置がマイクロ波を送受信
希釈冷凍機
(円筒状)
希釈冷凍機の中身
64量子ビットのチップ
提供：理化学研究所
熱雑音を防ぐためチップ周辺は
ほぼ絶対零度(10mK)
• 環境の影響を受けやすい
→けれど、制御したり測定したい
• 大きな計算は量子誤り訂正が必要
• 計算以外もスケールする必要あり
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# Page. 22

![Page Image](https://bcdn.docswell.com/page/9J2DKWDGJR.jpg)

従来コンピュータのハードウェア、ソウトウェア
◆様々な構成要素から成り立っている
• CPU
• GPU
• バス
• メモリ
• SSD
• HDD
• ファン
• 電源
• …
マザーボード
• アプリケーション
• アルゴリズム
• プログラミング言語
• コンパイラ
• 機械語
• 命令セット
• ミドルウェア、OS
• …
CPUとアルゴリズムだけでは、コンピュータは動かない
構築・システムソフトウェア・運用などの技術も必要
スーパーコンピュータ「富岳」は16万台のコンピュータが協調動作する
日々どこかが壊れるが、システムとしては計算できる(耐障害性)
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# Page. 23

![Page Image](https://bcdn.docswell.com/page/DEY2NL2GEM.jpg)

阪大量子クラウド(2023年12月)
オープンソース化を進めている
OQTOPUS → https://github.com/oqtopus-team
ユーザやジョブを管理
フロントエンド層
クラウド層
マイクロ波の
波形生成
ユーザが量子プログラミング
OSSにするのが一般的
プログラミング
バックエンド層
ユーザ認証
ジョブ管理
スケジューリング
トランスパイル
マイクロ波信号
波形生成
マイクロ波信号
送受信
計算処理
クラウドサーバ
エッジサーバ
measurement
tool
制御装置
量子チップ
ouqu-tp
qmt server
ユーザ
QURI Parts
riqu
OpenQASM3形式
→IBM,AWSなどが策定 凡
例
まだ標準規格が無い
従来の技術が活躍
超伝導量子回路で
計算を実行
量子チップ固有の命令に変換
インターネット通信
量子回路の最適化,
etc.
ローカル通信
マイクロ波の
送受信, FPGA
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# Page. 24

![Page Image](https://bcdn.docswell.com/page/VJN8X48878.jpg)

【量子コンピュータ・システムの内側】
フロントエンド層
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# Page. 25

![Page Image](https://bcdn.docswell.com/page/YE9K8QKXE3.jpg)

フロントエンド層のライブラリ
Pythonで量子プログラミング
• 量子回路ライブラリはPythonが多いため、学習コストが低い
• 科学計算ライブラリ(NumPy,SciPy)が整備されている
フロントエンド・ライブラリとして、まずQURI Partsをサポート
https://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2023/20231220_1 より
Pythonプログラムそのものはクラウドに送信せず、
OpenQASM 3(のサブセット)を送信する(QURI Parts riqu)
HTTP通信なので、CLIからも量子回路を実行できる
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# Page. 26

![Page Image](https://bcdn.docswell.com/page/GE8R8GR9JD.jpg)

Webブラウザでシミュレーション、実機アクセス
Qulacs Simulator
https://qulacs-gui.github.io/qulacs-simulator/
• ドラッグ&amp;ドロップで
量子回路を作成し、
シミュレーション可能
• アカウントがあれば
実機でも実行できる
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# Page. 27

![Page Image](https://bcdn.docswell.com/page/LELKRGKMJR.jpg)

【量子コンピュータ・システムの内側】
クラウド層
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# Page. 28

![Page Image](https://bcdn.docswell.com/page/4JM2RQ26JW.jpg)

クラウド層の設計
標準的なクラウド開発スキル
• サーバレス・アーキテクチャを採用
• 開発者はサーバ管理せずに済む
• リソースを柔軟に確保
• スケールしやすい設計
→ユーザアクセスの
負荷はクラウド層で受け止める
• FastAPI on AWS Lambda
• AWSへのデプロイはTerraformを利用
• インタフェース仕様は標準的な技術を利用
URLの例
• URL設計はRESTful APIを採用
• インタフェース仕様はOpenAPIフォーマットで記述
• 量子回路のフォーマットはOpenQASM 3(のサブセット)
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# Page. 29

![Page Image](https://bcdn.docswell.com/page/PJRMR8MNE9.jpg)

Web画面(ジョブ一覧、APIドキュメント)
ジョブ一覧
• 簡単な絞り込み機能
• ジョブのキャンセル、
削除
標準的なフロントエンド開発スキル
APIドキュメント
• APIトークンの発行
• APIの確認
(curlコマンドなど)
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# Page. 30

![Page Image](https://bcdn.docswell.com/page/PEXVR8V87X.jpg)

Web画面(ジョブ詳細)
ジョブIDや実行結果など
ジョブの情報を参照する
説明は省きますが、システム
管理者向けの画面もあります
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# Page. 31

![Page Image](https://bcdn.docswell.com/page/3EKQRKQLED.jpg)

【量子コンピュータ・システムの内側】
バックエンド層
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# Page. 32

![Page Image](https://bcdn.docswell.com/page/L73P8ZP6E5.jpg)

バックエンド層の機能
アルゴリズムのスキル
トランスパイラ
• ユーザが実装した量子回路のゲートを
量子デバイスがサポートするゲートに変換
変換
hは未サポート
rz,sx,rzに変換
• 量子プログラムの量子ビット(virtual qubit)を量子デバイスの量子ビット
(physical qubit)にマッピングする。量子ビット間の接続性を考慮
➢ 最適なマッピングを求めるのはNP困難問題
➢ ノイズの少ない場所を使いたい
virtual qubit
physical qubit
• 短い量子回路に変換
変換
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# Page. 33

![Page Image](https://bcdn.docswell.com/page/87DLMRLMEG.jpg)

【量子コンピュータ・システムの内側】
運用
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# Page. 34

![Page Image](https://bcdn.docswell.com/page/VJP2RW2QJ8.jpg)

QCOps(これからの機能)
• 開発(Dev)と運用(Ops)が協調してシステムを発展させてくことが重要
• そのための文化、グッドプラクティス、ツールなどがDevOps
• 機械学習システムではMLOpsと呼ばれている
• 同様に、量子コンピュータ・システムではQCOpsを確立する必要がある
オブザーバビリティ(可観測性)
• 元々は制御理論の用語
• ITでは「システムの状態を把握する能力」
と捉えて、システム運用に必要な
概念として重要視されつつある
成熟度を上げていく必要あり
https://speakerdeck.com/newrelic2023/20230523-findy-newrelic-o11y1
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# Page. 35

![Page Image](https://bcdn.docswell.com/page/2EVDR8DPEQ.jpg)

オブザーバビリティに必要な情報の収集
metric(CPU使用率、メモリ使用率等)
log(プロセスをまたいで参照・検索可能)
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# Page. 36

![Page Image](https://bcdn.docswell.com/page/57GYM5YQ7L.jpg)

オブザーバビリティに必要な情報の収集
trace(機能ごとの処理時間を把握)
このページは未来像です
まだ実現していません
service map(機能ごとのエラー率などを把握)
https://www.elastic.co/guide/en/kibana/current/service-maps.html
https://www.elastic.co/guide/en/kibana/current/spans.html
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# Page. 37

![Page Image](https://bcdn.docswell.com/page/4EQMRZMWJP.jpg)

オブザーバビリティや
データ分析のスキルが重要
オブザーバビリティに必要な情報の収集
分析用データの収集
デバイスの情報を可視化
• ジョブ件数(Success,Failure,Cancelled)
• ジョブ滞留時間(平均値、最大値)
量子ビットごとに可視化し、時系列の変化が分かる
• キューの保持件数
• 演算精度(fidelity)
• 量子ビットの計算寿命(T1,T2)
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# Page. 38

![Page Image](https://bcdn.docswell.com/page/KJ4V83V1E1.jpg)

システム管理・監視(今後開発が必要)
システム監視のスキルが重要
• 量子コンピュータはスパコンのような規模になっていくと想定
• 一部の監視項目について、簡易なアラートは行っている
• 本格的なシステム監視が必要
監視ソフトウェアの例: Zabbix
• 主な機能
• 現在状態表示
• 監視対象データの収集
• アラート履歴
• カレントアラート
• アラート通知
• マスク機能
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# Page. 39

![Page Image](https://bcdn.docswell.com/page/LE132135JG.jpg)

量子コンピュータのシステムソフトウェアのOSS化
• 「量子コンピュータのLinux」を目指すべく活動中
• https://github.com/oqtopus-team
• 複数の組織で開発している
• コントリビュートは大歓迎
• 基本的にOSS
• GitHubでコードを管理。CD/CIにGitHub Actionsを利用
• Read the Docsでドキュメントを公開
• Codecovでカバレッジをチェック
• ZenodeでDOI(Digital Object Identifier)を管理
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# Page. 40

![Page Image](https://bcdn.docswell.com/page/GEWPR8PWJ2.jpg)

まとめ
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# Page. 41

![Page Image](https://bcdn.docswell.com/page/47ZKR8K273.jpg)

量子コンピュータシステムの課題
そもそも開発者が少なすぎる
• レイヤ分割
• レイヤ分割により、ソフトウェア、ハードウェア共に互換性が高まる
• 全体を提供しないと動かない→部分的に提供できる
• 標準化、オープン化
• 参入障壁を低くし、発展しやすくする
• (従来コンピュータ)1980年代、IBMが規格をオープンにしたため、パソコ
ン市場が活発化した
• 安定した運用、耐障害性
• 24時間運用できる状態にする
• 量子系を安定した状態に保つのが難しい
• 運用しながらキャリブレーション
ご興味ある方はぜひDMください
@snuffkin
• ハードウェア障害などへの耐性
• 量子状態はコピーできないので、バックアップ不可。壊れる前に対応？
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# Page. 42

![Page Image](https://bcdn.docswell.com/page/YJ6QRP26JV.jpg)

量子コンピュータのオススメ本
量子コンピュータの仕組みや歴史などを一般向けに解説
「驚異の量子コンピュータ」
藤井啓祐 著(岩波書店)
「量子コンピュータが本当にわかる！」
武田俊太郎 著(技術評論社)
計算やプログラミングで学ぶ理系向け入門
「量子コンピュータの頭の中」
束野仁政 著(技術評論社)
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