NVIDIA，量子コンピュータ向けのプログラミングプラットフォーム「QODA」を発表

　2022年7月13日から14日まで，東京都内で行われる量子コンピュータ関連イベント「Q2B22 Tokyo」に合わせて，NVIDIAは，量子コンピュータ向けのプログラミングプラットフォーム「Quantum Optimized Device Architecture」（QODA，クォーダ）を発表した。QODAとは，NVIDIAが2013年から手がけてきたGPUコンピューティングプラットフォーム「CUDA」の量子コンピュータ版と理解していい。

　NVIDIAは，2021年から量子コンピューティングに関する発表を行っており，今回のQODA発表は，その総仕上げ的な位置づけになるものだ。ゲーマーには直接関係のない話題ではあるが，NVIDIAが量子コンピューティングに取り組んでいる理由を含めて，簡単に概要を紹介してみたい。

アクセラレータとしての実用が何となく見えてきた量子コンピューティング

　ときおり一般のニュースに出てくることがあるものの，量子コンピュータとは何かを理解しているゲーマーは少ないだろう。
　量子コンピュータとは，「1」と「0」の状態を同時に取りうる「量子ビット」（Quantum Bit：qubit）と，「量子ゲート」と呼ばれる量子論理回路を使って計算を行うコンピュータだ。n個の量子ビットは，2のn乗の状態を同時にとることが可能であり，量子ゲートならば，2のn乗個の計算を同時に行える。そのため，現行のコンピュータよりもはるかに高速な計算が行える，と説明されることが多い。

　もっとも，2のn乗個の計算結果がドカっと出てきてもどうにもならないので，実際には，計算の答えが得られるであろう「量子回路」を作って計算を行わせる。量子回路の計算を実行できるプロセッサが，「量子プロセッシングユニット」（Quantum Processing Unit，QPU）と呼ばれるものだ。
　問題は量子ゲートがとても不安定で，得られる答えに大量のエラーが含まれる点である。幸いなことに，量子コンピューティングにおけるエラー訂正の理論は確立しているが，エラー訂正を行いつつ実用的な答えを得るためには，少なくとも数万qubitが必要になると言われている。そんな理由から，「量子コンピュータが実用になるには，あと数十年はかかるという」識者もいる。

　しかし，たとえば2021年末には，IBM製量子コンピュータ「IBM Quantum System One」が神奈川県川崎市で稼働を開始したというニュースもあった。ただし，IBM Quantum System Oneが搭載するIBMのQPU「Falcon」は，規模がわずか27 qubitにすぎない。実用的な計算が行えるという数万qubitは遠く及ばないわけだ。量子コンピュータの実用にあと数十年かかると言われる根拠はこれである。

　であるならば，IBM Quantum System Oneのような今の量子コンピュータは，せいぜい研究用の役にしか立たないかのというと，「そうではない」という主張もある。エラー訂正がなくても，一部の計算は実行できるうえ，「特定の計算であれば，既存のコンピュータよりもはるかに高速だ」と，量子コンピューティング界隈は主張しているためだ。
　主張と書いたのは，議論があって必ずしも確定していないためである。それでも，エラー訂正機能を持てない程度のQPU（※Noisy Intermediate Scale Quantum Device，NISQ Deviceという）を，特定の演算におけるアクセラレータとして活用しようという方向で，量子コンピューティング業界は走り出している。先述したIBMを始めとする大企業はもちろん，多数の量子コンピューティング関連ベンチャーが設立されており，NISQの実現を巡って活況をていし始めたというのが今の状況だ。

GPUの経験を量子コンピューティングに活かすNVIDIA

　ずいぶん前置きが長くなったが，NISQを巡る現在の状況は，2000年代前半におけるGPUを巡る状況に，似ているといえなくもない。プログラマブルシェーダが登場して，GPUはグラフィックス処理以外の演算も行えるようになった。しかし，当時のGPUプログラミングは，アセンブラに近いシェーダ言語で行う必要があってハードルが高く，また並列化できる計算しか高速に計算できないので，用途も限られていた。
　そんなGPUの汎用化（GPGPU化）に，先陣を切って取り組んできたのがNVIDIAだ。NVIDIAは，シェーダ言語に代わって汎用プログラミングが可能なCUDA C/C＋＋言語を提供するなど，「CUDA」と呼ばれるGPGPU向けのプログラミングプラットフォームを構築し，現在に至っている。

　「その経験は，量子コンピューティングにも生かせる」と，NVIDIAは主張している。それを証明するかのように，2022年3月に行われたNVIDIA主催のGPUコンピューティング関連イベント「GTC 2022」で同社は，量子コンピューティングに関する大きな発表を2つ行った。

　ひとつは，GPUで量子シミュレーションを行うためのSDKである「cuQuantum」だ。cuQuantumを用いることで，量子回路の設計や，妥当性の検証などをGPUを使って高速に行えるという。
　もうひとつは，C＋＋言語に量子コンピューティング向けの拡張を加えた「nvq＋＋」言語の発表である。nvq＋＋は，汎用コンパイラプラットフォーム「LLVM」の中間言語に，「量子中間表現」（Quantum Intermediate Representation，QIR）を加えて拡張したLLVMベースのコンパイラを使用する量子プログラミング言語だ。

　そして今回発表となったQODAは，既存のコンピューティングと量子コンピューティングのハイブリッドコンピューティングを実現するプログラミングプラットフォームだ，とNVIDIAはアピールしている。つまり，一部の計算をQPUに行わせるための汎用プログラミングプラットフォームと考えればいいだろう。

QODAは，量子コンピューティングと既存のコンピューティングとのハイブリッドコンピューティングを実現する

　NVIDIAによると，QODAは，特定のQPUに依存しておらず，QPUの代わりにエミュレータを使うことも可能であるとのこと。言語としては，C＋＋とPythonをサポートするという。

QODAを使ったハイブリッドコードの例

　QODAによるハイブリッドコンピューティングの効果として，NVIDIAが示したデータが下のスライドである。これは，量子化学への応用が期待されている量子アルゴリズム「変分量子固有値ソルバ」を計算させたところ，20qubitのQPUで，既存のコンピュータに対して287倍も高い性能が得られたそうだ。20qubitならば，現在のNISQでも対応が可能な範囲だろう。

変分量子固有値ソルバの計算において，20qubitのQPUは287倍も高性能であるという

　NVIDIAによると，QPUを手がける5社を始めとする量子コンピューティング関連企業とパートナーを組んで，QODAのエコシステムを構築していくとのこと。成長が見込まれる量子コンピューティングの世界でも，NVIDIAの存在感が大きくなるかもしれない。

QODAに関してNVIDIAとパートナーシップを組む企業

　というわけで，ゲームと何ら関係なさそうな話題に終止したが，将来においてもまったく関係ない……とは言い切れないだろう。なにせ，世界初のシューティングゲーム「Spacewar！」が開発された1962年当時，このゲームが動くミニコンピュータ「PDP-1」は，おそらく世界に数十台程度しかなかったろう（※最終的な生産台数は53台）。今の量子コンピュータとさほど変わらない程度に希少だったわけだ。そう考えれば，そろそろどこかで世界初の量子コンピュータ用ゲームが開発されたとしても，不思議ではないだろう。
　いつかは我々も，量子コンピュータでしか動かないようなゲームをプレイする時代が来るかもしれない。

Q2B22 Tokyo公式Webサイト

NVIDIA公式Webサイト