量子コンピューターで量子計算にトライ！ / Let's try quantum computation with a quantum computer!

by wids-tky-i

Slide 1

Slide 1 text

TECHNOLOGY TALK 量⼦コンピューターで量⼦計算にトライ︕ ⼩林有⾥(Yuri Kobayashi) ⽇本アイ・ビー・エム株式会社東京基礎研究所 Qiskit 開発者コミュニティー, IBM Quantum

Slide 2

Slide 2 text

Qiskit © 2020 日本アイ・ビー・エム株式会社東京基礎研究所量子コンピューティング Qiskit 開発者コミュニティー担当物理学科物性物理有機超伝導材料研究オープンソースの量子開発フレームワーク Qiskitの教育コンテンツの作成、普及のための大学での授業展開をはじめ、量子コンピューターを使ったプログラミングコンテスト、ハッカソンの主催を通じて、量子ネイティブと呼ばれる量子コンピューターをつかいこなせる世代の育成に注力。 Yuri Kobayashi 小林有里 Twitter @YuriKobaya

Slide 3

Slide 3 text

Slide 4

Slide 4 text

Slide 5

Slide 5 text

Slide 6

Slide 6 text

Slide 7

Slide 7 text

Slide 8

Slide 8 text

Slide 9

Slide 9 text

カフェイン分子のシミュレーション IBM Quantum © 2022 IBM Corporation 9 9 カフェイン分子のシミュレーションには、約10の48乗ビットが必要量子コンピューターだと、160個の量子（論理）ビットで計算が可能 10の68乗無量大数むりょうたいすう 10の64乗不可思議ふかしぎ 10の60乗那由他なゆた 10の56乗阿僧祇あそうぎ 10の52乗恒河沙ごうがしゃ 10の48乗極ごく 160 10の44乗載さい 10の40乗正せい 10の36乗澗かん 120 10の32乗溝こう 10の28乗穣じょう 10の24乗ヨタ杼じょ 80 10の21乗ゼタ 70 10の20乗垓がい 60 10の18乗エクサ 50 10の16乗京けい 10の15乗ペタ

Slide 10

Slide 10 text

従来のコンピューターが苦手とする分野化学シミュレーション乱択アルゴリズム素因数分解新しいセキュリティー技術創薬、新しい材料研究探索、決定問題への応用 588 294 147 49 2 2 3 7 7

Slide 11

Slide 11 text

⾃然をシミュレーションしたければ、量⼦⼒学の原理でコンピューターを作らなくてはならない 1982年リチャード・ファインマン “Nature isn't classical, dammit, and if you want to make a simulation of nature, you'd better make it quantum mechanical, and by golly it's a wonderful problem, because it doesn't look so easy.” 量子コンピューターという着想 1982年リチャード・ファインマン

Slide 12

Slide 12 text

量子力学の原理に基づく新しいコンピューティング 0 0 1 0 0 1 量子もつれを利用することで求めている解の効果的な導出を行うことができる 2n 重ね合わせ Superposition 量子もつれ Entanglement 扱えるデータ量が指数的に増える並列演算ができる観測 |0⟩ |1⟩ 課題：自然界の量子を制御するのは困難

Slide 13

Slide 13 text

超伝導量子ビット（人工の原子） 13 ジョセフソン素子トランズモン（transmon）型超伝導量子ビット

Slide 14

Slide 14 text

IBM Quantum Computer ୆ IBM͕อ༗͢Δྔࢠίϯϐϡʔλʔͷ୆਺ɻ Քಇ཰͸Λ௒͑Δɻ ສਓ IBM Quantum ͷొ࿥Ϣʔβʔ਺ ݱࡏ΋ٸ଎ʹ૿Ճத ஹճҎ্ IBM Quantum্Ͱ࣮ߦ͞Εͨԋࢉ਺ ࣮ػͰͷԋࢉ࣮ߦ͕γϛϡϨʔλΛ௒͑Δ ຊҎ্ Պֶٕज़࿦จ౳ͷग़൛෺ ϝϯόʔ IBM Quantum Networkύʔτφʔ਺ ＜as of May 2022l＞ 12/16/20

Slide 15

Slide 15 text

遂に⽇本に上陸した量⼦コンピューター⽇本IBM、量⼦コンピューターを川崎に設置へ 15 Quantum Computing and IBM Q: An Introduction #IBMQ 3月23日にプレスリリースされました。

Slide 16

Slide 16 text

2021年７月日本初導入のゲート型商用量子コンピューターが稼働開始 16

Slide 17

Slide 17 text

Slide 18

Slide 18 text

量子計算の特徴

Slide 19

Slide 19 text

４ビットの暗号解読 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111

Slide 20

Slide 20 text

〇従来のコンピューターで解読する場合ふつうのコンピューター 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 ×

Slide 21

Slide 21 text

量子コンピューターで解読する場合量子コンピューター 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 0011 〇Ｑグローバーのアルゴリズム × 〇 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101

Slide 22

Slide 22 text

22 IBM Quantum Composer 誰もが簡単に量⼦回路を組めるツール https://quantum-computing.ibm.com/

Slide 23

Slide 23 text

IBMの量子コンピューターにアクセスしてみよう https://quantum-computing.ibm.com/ ①IBM Quantumのサイトへ ②アカウント(IBMid) の作成 ③ログイン後Composerを立ち上げて量子計算を試行 ① ② ③

Slide 24

Slide 24 text

①重ね合わせをつくる (superposition) ②探している解のマーキング(oracle) ③探している解の確率振幅を増幅(diffusion) ④測定 (measure) ① ② ③ ④ グローバーのアルゴリズムを実装してみよう

Slide 25

Slide 25 text

25 J実行結果実機の量⼦コンピューターの結果のほうはノイズがのっているのが⾒えます量子シミュレーターの結果(simulator_mps) 実機の結果(ibmq_santiago)

Slide 26

Slide 26 text

Universal Quantum Computer Approximate Small- Scale Approximate Medium- Scale Fault- Tolerant Large-Scale 2016 2021 2030- NISQ Noisy Intermediate-Scale Quantum Computer

Slide 27

Slide 27 text

HR / Jan 20, 2021 / © 2021 IBM Corporation 27 Qubits added: 50 Error rate decrease: 0x Quantum volume increase: 0x Qubits added: 0 Error rate decrease: 10x Quantum volume increase: 500x 量子ボリューム | Quantum Volume NISQ時代の量子システムの性能を測る指標

Slide 28

Slide 28 text

量子優位性に向けて量子優位性(Quantum Advantage) 「実用的」なアプリケーションで古典の不可能を量子で可能にすること・Faster (より速く）・Less Resource（より少ないリソース）・Better Quality（より高い精度）で解くことを実証できること量子ボリューム(QV)を毎年倍増する計画を立てて量子優位性の実現を目指しています。 IBM Quantum © 2022 IBM Corporation 28 現在、予定より早いペースでの性能向上を続けています。

Slide 29

Slide 29 text

IBMが実装済みオンターゲットで進行中開発ロードマップ Heron 133 qubits x p Crossbill 408 qubits Circuits システムモジュール性 Falcon 27 qubits Hummingbird 65 qubits Eagle 127 qubits Osprey 433 qubits Condor 1,121 qubits カーネル開発者 Qiskit Runtime 量子アルゴリズムとアプリケーション・モジュール機械学習 | 自然科学 | 最適化アルゴリズム開発者モデル開発者 Flamingo 1,386+ qubits Kookaburra 4,158+ qubits 量子サーバーレスインテリジェントオーケストレーション量子回路ライブラリ量子ソフトウェアアプリケーションのプロトタイプ機械学習 | 自然科学 | 最適化量子ソフトウェアアプリケーション 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 Beyond 2026 IBMのクラウド上で量子回路を実行量子アルゴリズムとアプリケーションの実証とプロトタイプ化 Qiskit Runtimeで量子プログラムを100倍高速に実行エラスティック・コンピューティングとQiskit Runtime並列化によるアプリケーションの拡張スケーラブルな誤り抑制手法でQiskit Runtimeの精度を向上 Qiskit Runtimeを制御する回路編みツールボックスで量子アプリケーションを拡張 Qiskit Runtimeに動的回路を導入し、より多くの計算手法の実行を可能に Qiskit Runtimeに誤り訂正を統合し、量子ワークフローの精度と速度を向上古典通信と量子通信で10K-100K qubits に拡張回路編みツールボックス Threaded 動的回路誤り抑制と軽減誤り訂正マルチスレッドプリミティブ Flamingo 1,386+ qubits Kookaburra 4,158+ qubits

Slide 30

Slide 30 text

Slide 31

Slide 31 text

Slide 32

Slide 32 text

32 量子コンピューター夏学校 | Qiskit Global Summer School 2022年度のサマースクール（オンライン）は、量子化学の分野に焦点をあてた、量子シミュレーションを中心としたカリキュラムです 2022年度の開催概要：qiskit.org/events/summer-school/ お申し込みはお早めに！ 2022年 7月18-29日量子プログラミングコンテスト | IBM Quantum Challenge 今年も秋に量子プログラミングコンテストを開催します。競技プログラミング形式で、量子計算の基礎から応用までを学んでいただけます 2021年度の開催概要：https://www.ibm.com/blogs/think/jp- ja/fall2021-quantum-challenge-japan/ 2022年11月昨年度のQuantum Challenge告知の様子量子コンピューターの知識とスキルを磨く機会 2022年 7月18-29日 2022年11月午前７時に２次募集が開始されました！

Slide 33

Slide 33 text

IBM Quantum / © 2020 IBM Corporation 33 IBM Quantumの使い方を実践的に学べるオススメ学習コンテンツのご紹介有志の量子コンピュータ勉強会。量子コンピュータ入門、代表的な量子アルゴリズム、量子プログラミングのハンズオン等を日本語で解説しています。 http://ibm.biz/quantumtokyo Qiskit を使った量子計算の学習のためのオンライン教科書日本語訳が3月2日にリリースされました。 Qiskitのインストール方法から、量子計算の基礎、そして応用分野についてソフトウェアのインストールなしにテキストブック内で直接コードを実行しながら学ぶことができます。 https://qiskit.org/textbook/ja/preface.html Qiskit Textbook日本語版 Quantum Tokyo YouTubeチャネル

Slide 34

Slide 34 text

No content

Slide 35

Slide 35 text

まとめ量⼦コンピューターは • 量⼦⼒学の性質（重ね合わせ、もつれ、⼲渉）を利⽤した新しい計算技術です • 古典コンピューターよりも速いのではなく、異なる原理で特定の領域において効率良く解を導出します • 実装においては、量⼦ゲートと呼ばれる演算⼦（⾏列で表現可）を組み合わせた回路（プログラム）で実⾏されます • 実⽤化に向けて量⼦システムの性能を全体的に⾼めていくことが必要です • 機械学習、⾃然科学、最適化問題などへの応⽤も期待されます • 機械学習については次のセッションで詳しい解説があります