量子コンピュータは、量子力学を計算原理として動作する次世代コンピュータである。現在、Google、IBM、マイクロソフトといった巨大IT企業に加え、ベンチャー企業、国家プロジェクトにおいて研究開発が進められている。現在、50-100量子ビット規模の量子コンピュータが実現しつつあり、特定のタスクにおいては、スーパーコンピュータを用いてもそのシミュレーションが難しいレベルに到達しつつある。一方で、素因数分解や量子化学計算などの問題において、指数関数的に計算を高速化するためには高度な量子アルゴリズムを実行する必要があり、量子誤り訂正機能が搭載された大規模な誤り耐性量子コンピュータの実現が必要である。また、現状のノイズを含む中規模の量子コンピュータ（NISQ: noisy-intemediate scale quantum computer）を誤り訂正なしに応用をする試みも行われている。本講演では、短期的・長期的な２つの課題について、どのようなソフトウェア開発が現在行われているかを解説し、我々のグループの取り組みを紹介する。

ソフトウェア科学においては「静的解析 static analysis」と呼ばれる一群の手法が長く研究されてきました。プログラムの実行過程の観察による動的解析 dynamic analysis とは対象的に、静的解析では実際にプログラムを実行しません。代わりに、プログラムの文面（文字列）をなぞりながら推論や計算を行うことで、プログラムの振る舞いの解析を行っていきます。プログラミング言語のさまざまな型システムから、Facebookのツール Inferなどのプログラム検証器まで、静的解析手法の具体例は多岐に渡り、ソフトウェア品質の向上に寄与しています。
本講演では、量子プログラミング言語の研究の現況と将来について、静的解析の視点から俯瞰的紹介を行います。量子プログラムの開発においては実行リソース（＝実際の量子コンピュータ）が限られているゆえ、ユニットテストを中心とした動的解析アプローチの応用可能性が限定的です。ここで、（対象が量子プログラムであっても）古典コンピュータで実行できるという静的解析の利点が非常に有効になると考えられます。このような新しい応用に向けて存在する次のチャレンジについて展望をお話します： 1) 静的解析の伝統的目標である安全性（バグ不在）から飛躍し、量子ビットの安定性や性能などの新たな目標に対応すること、2) 発展著しい量子コンピュータのハードウェア・アーキテクチャに寄り添ったプログラミング言語及び静的解析手法の開発、3) （量子）具体的計算―（古典）静的解析の間でユーザーが適切な抽象度を選択できるような柔軟性を付与すること。

量子コンピュータの実機は既に存在しますが、その性能は実用問題の解決に耐えられるものではなく、想定通りにプログラムを実行することは未だに困難な状況です。 また、多くの量子アルゴリズムの論文では、提案アルゴリズムが抽象的な記述でのみ定義されているため、それらを実用的な量子データ構造・プログラムへと変換するには新たなスキルと洞察が必要になります。私達の研究グループは独自にこの研究分野へ取り組んできました。例えば、NISQ上でGroverの探索アルゴリズムを実行するための手法を開発しました。私達の提案手法は従来手法に比べて理論的な性能は落ちるものの、実機上で実行すると遥かに正確な結果が得られます。 これらの短期的な課題の解決に加えて、NISQだけでなく、誤り訂正が可能な将来の量子コンピュータでも有用な、大規模量子プログラミング用デバッガなどのプログラミングツールを構築しています。

将来、大規模な量子計算を実行するためには、大規模な「量子回路」を設計する必要がある。「回路」という言葉から、量子回路はハードウェアと誤解されることがある。しかし、量子回路は量子的な操作の時系列であるため、ソフトウェアと考えるほうが適切である。ただ、量子回路を設計する際には、現在のデジタルハードウェアにおける回路設計で利用されている多くの考え方や手法を利用できることも多いため、「量子回路設計」は量子計算特有のことを考慮した従来の「回路設計」の延長と考えるのが適切であるかもしれない。本講演では、まず、「量子回路設計」とは何かについて、上述した視点で説明し、どのように従来の回路設計の考え方が利用できるかを説明する。また、量子回路設計の分野で、今までどのようなコストを最適化することが考慮されてきたか、および、そのコストの少ない量子回路を設計するために、どのような最適化手法が今まで研究されているかについて紹介する。

量子ソフトウェアの開発は、量子回路を構成することであり、そのための開発環境は、フレームワーク、ライブラリ、コンパイラ、パルス制御、シミュレータ等を含んでいる。これらは現在急速に整備されつつあるが、現時点のような揺籃期においては、新しい着想や新しい機能を迅速に試行錯誤しながら開発環境を進化させていくことこそが最も重要である。本講演では、オープンソースソフトウェアの量子ソフトウェア開発環境Qiskit を題材に、現状を概観し将来を展望してみたい。