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。

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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 1
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 2
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 3
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 4
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 5 古典ビット 0 or 1 量子ビット 0が30% 1が70%
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 6 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
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 7
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 8 ※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)
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 9
10. このページで伝えたい内容 目次 10 •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
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 11 [PC Watchのニュースより] https://pc.watch.impress.co.jp/docs/news/1488658.html
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 12 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
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 13
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 14
15. このページで伝えたい内容 目次 15 •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
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 16 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
17. このページで伝えたい内容 格子パズル 17 • 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？
18. このページで伝えたい内容 まとめ – 必要な技術 - 18 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
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 19
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 20