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!

2022年6月3日開催 Women in Data Science Tokyo @ IBM
QUANTUM COMPUTING  TALK #1資料
Speaker: 小林 有里
マネージャー

日本IBM(株)
東京基礎研究所
Qiskit開発者コミュニティー

https://widstokyoibm2022.splashthat.com/

Transcript

1. 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
2. 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
3. 本日の内容 古典コンピューター（スパコン）の話題 なぜ量子コンピューターが注目されているのか？ 超伝導量子ビットについて 遂に日本に上陸した量子コンピューター KAWASAKI 量子計算の特徴 量子アルゴリズムを実行してみよう（デモ） 開発ロードマップ（今後の展望） さらに学習を深めたい方のために Qiskit © 2020
4. コンピューターは生活を支える基盤 IBM Quantum / © 2020 IBM Corporation 4
5. スパコンTOP500の発表（5/30/2022) スパコン性能競争 初登場1位のFrontierがついにExaflopsの閾 値を超える性能を発揮 ペタフロップス・・・10の15乗回の浮動 小数点演算を処理する能力 エクサフロップス・・10の18乗回の浮動 小数点演算を処理する能力 IBM Quantum / © 2020 IBM Corporation 5
6. 今後も性能向上をつづけるスパコン IBM Quantum / © 2020 IBM Corporation 6
7. なぜ量子コンピューターが注目されているのか？ IBM Quantum / © 2020 IBM Corporation 7
8. なぜ量子コンピューターが必要なのか？ IBM Quantum / © 2020 IBM Corporation 8 古典コンピューター で解ける問題 古典計算と量子計算の ハイブリッドで解ける問題 まだ計算が可能かどうか わからない未知の問題
9. 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
10. 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
11. 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
12. 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
13. 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
14. 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
15. 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。
16. 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
17. 日本における量子コンピューターの社会実装を 世界に先駆けて実現することをめざして IBM Quantum / © 2021 IBM Corporation 17 新川崎・創造のもり かわさき新産業創造センター(KBIC)内に 設置された量子コンピューター 量子イノベーションイニシアティブ協議会（QII協議会） 参加メンバー（五十音順）
18. 量子計算の特徴
19. 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
20. 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 ×
21. 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
22. 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/
23. 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
24. 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
25. 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)
26. Universal Quantum Computer Approximate Small- Scale Approximate Medium- Scale Fault- Tolerant Large-Scale 2016 2021 2030- NISQ Noisy Intermediate-Scale Quantum Computer
27. 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
28. 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。
29. 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
30. IBM Quantum / © 2021 IBM Corporation 30 Eagle 127 qubits
31. 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 機械学習 自然科学 最適化 機械学習 自然科学 最適化
32. 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！
33. 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
35. 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