量子コンピュータ開発について

Kernel/VM探検隊@東京 No16の発表資料です。

Transcript

1. このページで伝えたい内容
   量子コンピュータの開発について
   大阪大学 QIQB
   森 俊夫
   @forest1040
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2. このページで伝えたい内容
   •１年前に大阪大学のQIQBに入りました。
   HOME | QIQB: 量子情報・量子生命研究センター 大阪大学 世界最先端研究機構
   (osaka-u.ac.jp)
   •その前はフリーランスでした。
   •最近話題のLLMの走りのTransformerモデルを使った翻訳
   サービスをやってました。
   •モデル操作からC++での前処理/後処理や、クライアント側の
   SPA（React/Angularなぜか2つ）まで一通りやってました。
   •量子界隈に入って、まだ1年ですので、間違っている事等あると
   思いますが、おおめにみてやってください。。
   •今回の資料は私の見解ですので、所属する組織を代表するも
   のではありません。
   自己紹介
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3. このページで伝えたい内容
   •量子コンピュータを作るためには、いろいろな既存の技術が必要
   になります。
   •そのためソフトとハードのエンジニアを必要としています。
   •今日はその事をわかって頂き、今日の話を聞いた人が量子コン
   ピュータに興味を持って何かしら関わって頂ければうれしいです。
   今日、伝えたいこと
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4. このページで伝えたい内容
   •量子コンピュータとは
   •国産の量子コンピュータのクラウド公開
   •FTQCに向けて
   目次
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5. このページで伝えたい内容
   •現在のコンピュータ（古典コンピュータ）はデジタルに（0か1か
   で）ビットを管理します。
   •量子コンピュータでは、アナログ的にビットを管理します。
   •測定すると 0 か 1 に決まりますのでデジタル的にも振る舞いま
   す。
   重ね合わせ
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   古典ビット
   0 or 1
   量子ビット
   0が30%
   1が70%
   

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6. このページで伝えたい内容
   •量子もつれが、古典コンピュータに比べて、量子コンピュータの
   優位を高めます。
   •量子もつれが少ないと古典コンピュータで比較的簡単に量子コ
   ンピュータをシュミレートできてしまいます。
   量子もつれ
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   量子ビット
   相互作用させて
   量子もつれを作る
   0と1がそれぞれ50%となる
   重ね合わせ状態にする
   同様に0と1がそれぞれ50%となる
   重ね合わせ状態にする
   量子ビット
   片方を測定すると、
   瞬時に状態がもう片方に反映される
   

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7. このページで伝えたい内容
   •量子コンピュータではよく、量子回路を作成してプログラミングし
   ます。
   •処理は、量子ゲートという操作で記述します。
   （実際にはゲートは制御パルスに変換されます。）
   量子回路
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8. このページで伝えたい内容
   •2019年にGoogleが量子超越の論文を出しました。※1
   •いろいろな古典コンピュータ（特にHPCを使った）チームが、反
   論を出しました。 ※2
   •最近またGoogleが量子超越の論文を出しました。 ※3
   •HPCではテンソルネットワークを使った量子回路シミュレータで
   対抗することが多いです。（お互いが高めあって行ければいい
   なと思っています。）
   •ちなみに、量子回路シミュレータでは、テンソルネットワーク型の
   他にステートベクトル型があります。
   量子超越
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   ※1: [Quantum supremacy using a programmable superconducting processor | Nature](https://www.nature.com/articles/s41586-019-1666-5)
   ※2: [[2110.14502] Closing the "Quantum Supremacy" Gap: Achieving Real-Time Simulation of a Random Quantum Circuit Using a New Sunway
   Supercomputer](https://arxiv.org/abs/2110.14502)
   ※3: [[2304.11119] Phase transition in Random Circuit Sampling](https://arxiv.org/abs/2304.11119)
   

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9. このページで伝えたい内容
   •NISQデバイスとはNoisy Intermediate-Scale Quantum
   deviceの略で、量子誤り（ノイズ）がある小～中規模（数
   百程度までの量子ビット数）の量子コンピュータの総称です。
   •量子を制御する上でノイズは、なかなか対処するのが難しい問
   題です。
   •誤り訂正を入れた量子コンピュータがFTQCです。
   •次章から、理研で公開されたNISQの量子コンピュータのクラウ
   ドシステムを説明します。
   NISQとFTQCとノイズとの戦い
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10. このページで伝えたい内容
    目次
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    •量子コンピュータとは
    •国産の量子コンピュータのクラウド公開
    •FTQCに向けて
    

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11. このページで伝えたい内容
    •理化学研究所の国産超伝導量子コンピュータの初号機が、
    2023年3月末に公開されました。
    クラウドシステム
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    [PC Watchのニュースより] https://pc.watch.impress.co.jp/docs/news/1488658.html
    

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12. このページで伝えたい内容
    • 理研のクラウドでは、ユーザがOpenQASMを指定することにより、量子コンピュー
    タを操作することができるようになっています。
    • また、Pythonを使ってプログラムから制御することも可能になっています。
    • OpenQASMは制御パルスに変換されて、量子コンピュータを制御します。
    QASMと制御パルス
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    量子計算
    プログラム
    化学計算 材料探索
    機械学習
    後で差し替え
    利用ユーザ
    量子コンピュータの活用法の探求
    制御パルス
    計算結果 計測信号
    量子ビット
    量子コンピュータ
    etc…
    量子コンピュータ
    クラウドサービス
    NTTコンピュータ&データサイエンス研究所の鈴木氏の資料より
    

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13. このページで伝えたい内容
    • 量子コンピュータを制御しようと思った場合に、まず制御するための準備
    作業（キャリブレーション）を行う必要があります。
    • 正しくケーブルが接続されているか？のような物理配線の確認から始ま
    り、量子ビットの共鳴周波数はいくらか？量子の励起状態を保てる時
    間はどれくらいか（T1）？どの程度周波数のパルスをどの程度あてれ
    ば、π/2回転するか？0と1の測定結果の確率分布がどのように分布
    しており、どう判定するか？測定の誤りがどれぐらい発生するか？
    • いろいろと調整する項目があります。例えばQiskit Pulseでは以下のよ
    うな資料が公開されています。
    • [Qiskit Pulseで量子ビットを較正
    る](https://ja.learn.qiskit.org/course/quantum-
    hardware-pulses/calibrating-qubits-using-qiskit-pulse)
    • [量子技術序論](https://www.sqei.c.u-
    tokyo.ac.jp/qed/QEd_textbook.pdf) もハードウェア系の知識と
    してオススメです。
    キャリブレーション
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14. このページで伝えたい内容
    •現状のNISQデバイスでノイズを補正して、何か意味ある計算
    を行うためにいろいろな手法が開発されています。
    ノイズ補正
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15. このページで伝えたい内容
    目次
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    •量子コンピュータとは
    •国産の量子コンピュータのクラウド公開
    •FTQCに向けて
    

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16. このページで伝えたい内容
    • ノイズ対策のため、誤り訂正を入れた量子コンピュータがFTQCです。
    • しかし、なかなかそう簡単ではありません。
    • 例えば、量子状態は測定すると量子状態が壊れるため、補助量子ビッ
    トを使って、測定して、エラーが発生した箇所を推定する必要があったり
    します。
    • エラー訂正を行う仕組みの他に、そもそもアーキテクチャが大きく変わりま
    す。
    FTQCに向けて
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    NTTコンピュータ&データサイエンス研究所の鈴木氏の資料より
    

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17. このページで伝えたい内容
    格子パズル
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    • ものすごく単純にデフォルメした図です。
    • Data0-8と書いた箇所がエラー訂正された論理量子ビットです。
    • その間に道を作っておきます。
    • 論理量子ビットをつなげることにより、計算を行います。
    この計算を並列に同時実行させることを
    考えます。
    競技プログラミングやパズルのソルバーを作
    る人の大好物じゃないでしょうか？
    

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18. このページで伝えたい内容
    まとめ – 必要な技術 -
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    量子 技術
    量子回路シュミレータ プログラミング能力(C++,Python,Julia等) /
    ハードウェアアクセラレータ技術（CUDA,
    SIMD,HPC等）等
    クラウドシステム Webシステム一般の技術 / セキュリティ / イ
    ンフラ系（クラウドやオンプレサーバ）
    量子コンパイラ コンパイラ技術の応用
    量子アルゴリズム 数理最適化 / DNN
    実機制御 ハードウェア技術（電気工学技術 / 電子回路
    / FPGA）
    ノイズ補正 機械学習/ DNN
    FTQC システム設計 / スケジューリング最適化 等
    格子パズル 競プロ的技術
    

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19. このページで伝えたい内容
    •最近、同僚（大阪大学QIQB
    束野氏）が書いた量子コン
    ピュータの入門書があります。
    •高校生レベルの数学で説明さ
    れた、プログラマ向けのわかりや
    すい本です。
    • Amazon
    https://www.amazon.co.jp/dp/4297135116
    • 技術評論社 https://gihyo.jp/book/2023/978-
    4-297-13511-9
    本の紹介
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20. このページで伝えたい内容
    •ということで、量子コンピュータ業界も、様々な技術者を必要と
    しているようです。
    •もし興味がある方がいらっしゃたら是非一緒に未来を作りましょ
    う！！
    •貢献方法（個人的に思っているQIQB的貢献方法）
    •QIQB入る
    •共同研究する
    •業務委託する
    JOIN
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