開発ワークフロー
Qiskitパターンとは、ドメイン固有の問題を分解し、必要な機能を段階的に具体化する開発ワークフローを指す。 これにより、 IBM Quantum® の研究者（およびその他の関係者）が開発した新機能をシームレスに組み合わせることが可能となり、将来的に量子コンピューティングタスクが強力な異種混在（CPU/GPU/QPU）コンピューティングインフラによって実行される未来が実現します。 ブロックまたはブロック群がパターンのステップを実行し、 Qiskit SDK が重要な基盤層を提供します。これは IBM Quantum または量子オープンソースコミュニティによって開発された他のツールやサービスによって支えられています。 Qiskitパターンにより、ドメインエキスパートは問題を定義し、Qiskitパターンを実現するツール（ブロック）を組み立てることができます。 そのパターンは、ローカルで実行したり、クラウドサービスを通じて実行したり、 Qiskit Serverless でデプロイしたりできます。
Qiskitパターンの4つのステップは以下の通り：
- 問題を量子回路と演算子に写像する
- ターゲットハードウェア向けに最適化
- 対象ハードウェア上で実行する
- 後処理結果
各ステップの詳細は以下のセクションで説明する。
問題を量子回路と演算子に写像する
この手順では、ユーザーが従来型の問題から出発し、それを量子コンピュータにどのように適用するかを導き出す方法について説明します。 例えば、化学や量子シミュレーションなどの分野では、このステップでは通常、解こうとしているハミルトニアンを表す量子回路を構築することになります。 このステップにおいて、特定の問題については、問題の構造が早期の最適化に適している場合、最初から IBM® ハードウェアのヘビーヘックス（またはグロス）格子上の量子ビットへのマッピングを指定することが望ましい場合もあります。 また、この段階で、後の実行ステップに備えて、そのアルゴリズムがどのような結果をもたらすかを検討しておくことも重要です。例えば、望ましい結果がアダマール検定を用いた相関関数の推定である場合は、Samplerを使用する準備をしておくべきでしょう。一方、観測量を指定する場合はEstimatorを使用することになり、多くの誤差低減オプションを利用できる可能性があります。
このステップの出力は、通常、次のステップでハードウェアに最適化できる回路や量子演算子の集まりである。
ターゲット・ハードウェア用に最適化する
このステップでは、マップ・ステップで生成された抽象回路（または演算子）を受け取り、それに対して一連の最適化を実行する。 これには、回路のルートとレイアウトを物理的な量子ビットハードウェアにマッピングすること、ハードウェアの基底ゲートに変換すること、演算回数を減らすことなどが含まれ、これらはすべて後の実行ステップで成功する可能性を最適化するために設計されている。 この時点で、次のステップで実際のハードウェア上で実行する前に、シミュレーターで回路をテストしておくのもよいだろう。
このステップでは、抽象回路を命令セットアーキテクチャ（ISA）回路にトランスパイルする必要があります。 ISA回路とは、対象となるハードウェアが理解できるゲート（基本ゲート）のみと、接続制約（カップリングマップ）を満たすために必要なマルチキュービットゲートのみで構成される回路のことである。 IBM Quantum Compute Service を使用して、 IBM ハードウェア上で実行できるのは ISA 回路のみです。
ターゲット・ハードウェア上で実行する
このステップでは、回路をハードウェア上で実行し、量子計算の結果を出力します。 前のステップで生成されたISA回路は、パッケージ qiskit-ibm-runtime に含まれる「Sampler」または「Estimator」プリミティブを使用して実行できます。これらは、お使いのコンピュータ上でローカルに初期化することも、クラスタやその他の異種混在の計算環境から初期化することも可能です。 これらは「バッチ」として実行することができ、これにより従来の計算効率を実現する並列トランスパイルが可能になります。あるいは「セッション」として実行することで、キューによる遅延なしに反復タスクを効率的に実装することができます。 この手順では、. が提供する特定のエラー抑制および軽減手法を設定するオプションもあります qiskit-ibm-runtime。
「Sampler」プリミティブを使用するか、「Estimator」プリミティブを使用するかによって、このステップの結果は異なります。 Samplerを使用する場合、出力はビット列形式のショットごとの測定値となります。 Estimatorを使用する場合、出力は物理量やコスト関数に対応する観測量の期待値となります。
ポスト・プロセス結果
この最後のステップでは、前のステップで得られた出力を再び結合し、望ましい結果を得る。 これには、結果の可視化、読み出し誤差の低減手法、より小規模な量子ビット群における結果を確定するための準確率分布の限界化、あるいは非物理的な観測量を排除することで、総スピン、パリティ、粒子保存則といった問題固有の性質に基づく事後選択など、一連の古典的なデータ処理手順が含まれる。
この分野がオーダーメイドの回路構築からユーティリティスケールのワークフローに移行するにつれて、Qiskitパターンが柔軟かつ簡単に、ユーザーがパターンのさまざまなステップを構成できるようにすることで、量子計算科学者が簡単に使用できる多種多様なアプリケーションや技術に量子コンピューティングを開放する。