[レポート] QTC201 AWSが量子技術を実用化するまでの道のり #reinvent

AWS事業本部 梶原@福岡オフィスです。 ラスベガスで開催されましたre:Invent2022のセッション 「QTC201 AWSが量子技術を実用化するまでの道のり」をレポートしたいと思います。

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本セッションレポートは、現地での聞き取りまた、Amazon Translate, Google翻訳, DeepL翻訳等を使用しつつレポートしております。
内容には十分注意して作成しておりますが、誤訳または誤って理解している部分がある可能性があることをご容赦いただければと思います。
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セッション概要

タイトル

How AWS is making quantum technologies a practical reality

概要

In this session, designed for everyone from the quantum curious to experienced researchers, join Dr. Simone Severini, Director of Quantum Technologies at AWS, to understand how AWS is working to bring quantum computers to our users. Learn about updates to the Amazon Braket service and technical developments from our research teams. Scott Buchholz, Global Quantum Computing Lead at Deloitte Consulting, will share a strategic framework for adopting quantum computing. Finally, Dr. Oskar Painter, Director of Quantum Hardware at AWS, will give a high-level overview of the progress towards building fault-tolerant quantum computers at the AWS Center for Quantum Computing.

本セッションでは、量子コンピュータに興味がある方から経験豊富な研究者の方まで、AWSの量子技術担当ディレクターであるSimone Severini博士と一緒に、AWSがどのように量子コンピュータをユーザーに提供するために取り組んでいるかを理解することができます。Amazon Braketサービスのアップデートや、研究チームによる技術開発についてご紹介します。デロイトコンサルティングのグローバル量子コンピューティングリードであるScott Buchholz氏は、量子コンピューティングを採用するための戦略的フレームワークを紹介します。最後に、AWSの量子ハードウェア担当ディレクターであるOskar Painter博士が、AWS Center for Quantum Computingにおけるフォールトトレラント量子コンピュータ構築への進展について、ハイレベルな概要を説明します。

スピーカー

Oskar Painter, Director of Quantum Hardware, Amazon Wen Services
Simone Severini, Director, Quantum Computing, AWS
Scott Buchholz, Global Quantum Computing lead, Deloitte

セッション動画

セッション資料

https://d1.awsstatic.com/events/Summits/reinvent2022/QTC201_How-AWS-is-making-quantum-technologies-a-practical-reality-.pdf

セッション内容

What is quantum computing ?

• 量子テクノロジーとは何か、量子コンピューティングとは何か？
• 量子コンピューティングは情報を処理する新しい方法であり、量子コンピューターはナノスケールのオブジェクト、たとえば光子、電子、原子などの非常に小さなオブジェクトに情報をエンコードするマシンです。これらの物体の振る舞いは、非常に成功した物理理論である量子物理学の法則に支配されています。
• 物理領域で起こる現象により、量子コンピューターでは効率的に解決できるが、他のタイプのコンピューターでは効率的に解決できない計算上の問題が存在することを示す有力な証拠があります。
• 分子、材料科学、化学のシミュレーション、薬理学やバイオテクノロジーを適用する問題、そしてこれらの問題の解決策など、量子物理学そのもののシミュレーションに関連するすべての問題が、私たちの生活に影響を与える可能性があります。
• 量子物理学の領域、量子ハードウェアの領域で自然を制御することは難しく、量子コンピューターを大規模に構築する方法はまだできていません。
• 量子コンピューターが情報を処理する新しい方法ということです。

• 量子コンピューティングは今どこにあるのか
• 量子コンピューティングが今日でもビジネスに利点をもたらすことがまだ実証されていない
• それでも今、何もしなければ、量子コンピュータの有用性が顕在化したときには、手遅れになるかもしれない。

• 2019年、量子コンピューティングをワンストップで探求したいという声が聞かれました。
• この新しいテクノロジーの何が現実で何がそうでないかを知りたいと言われ、使い慣れたデータ環境でそれを実現したいと言われました。
• そして、これがアマゾンブラケットを立ち上げた理由です。

Quantime hardware available an Amazon Braket

• 一般的に入手可能な量子コンピューターには5種類あります。
• IONQは、イオントラップをベースにした機械を製造しています。
• Rigettiは、超電導体をベースにしたハードウェアを開発しています。
• Oxford Quantum Circuitは、さまざまな超伝導技術に基づいてプロセッサを構築しています。
• Xanaduは光に基づいて量子コンピューターを構築しています。
• QuEraでは、特殊な原子をベースにした量子アートワークを構築しています。

Amazon Braket software stack

• 私たちは、ビルダーがアプリケーションに応じてさまざまなレベルで操作できるようにするツールを提供したいと考えています。
• Jupiter ノートブックを使用してこれらのハードウェアをコーディングできます。
• スタックの下位レベルで操作し、OpenQASMなどのアセンブリ言語を使用するか、APIを直接使用して下位レベルでプログラミングできます。

• 顧客はクラウドリソースと統合された量子ハードウェアを必要としています。
• 私たちは、量子コンピューティングを成功させるには、従来のクラウドコンピューターリソースとの緊密な統合を見つけることが重要であることを学び、信じています。
• AWS サービスのファブリックに完全に統合されているため、お客様はデータストレージ、セキュリティ、通知、レポート、分析などよりも量子コンピューティングに集中できます。
• Amazon Bracketは、AWS ParallelCluster、AWS Batch、Amazon ECR、Amazon Bracketが量子ハードウェアと従来型リソースをオーケストレーションし、一部のワークロード、ワークフローでは、Amazon Bracketが問題を特定のタイプのプロセッサのタスクに分割し、必要に応じてリソースを取得することができます。
• 量子コンピュータはまだプロトタイプの段階ですが、クラウドに量子コンピュータを統合することは、非常に興味深いこと
• この統合は、決して希望的観測ではありません。今日、私たちが実現したことであり、現在構築中のものです。

Preparing for your quantum future

（ここから Deloitte の Scott Buchholz 氏に講演者が変わります）

• 量子コンピューターがコンピューティングに対する考え方を大きく変えると信じている

Why quantum computing ?

• 量子コンピュータの話をするとき、多くの人は「次世代のスーパーコンピュータを作るんだ、今あるコンピュータと同じような、それ以上のものを作るんだ」という例えをします。 しかし、その答えは「実際はそうではない」のです。

（ここでは、シャボン玉のシミュレーションを例にだして、現在のコンピュータでは数学をもとに多くの計算を行って、シャボン玉のシミュレーションを行うことができるが、実際のシャボン玉は物理学にもとづいて、ふるまっているというお話をされていました）

• 課題は、問題を物理学にどうマッピングするかを考えるのが難しいことです。
• どのような問題を物理学に当てはめることができるかは、まだあまり得意ではありません。
• 量子コンピュータは物理学に基づいて動作をしている
• 量子コンピューターにはマッピングできる問題があり、それをほぼ瞬時に解決できることがわかり始めている
• これらの問題のいくつかは機械学習です。
• 量子機械学習が実際に、同等の古典的手法よりも高品質でより速くトレーニングできると信じるに足る十分な証拠があります

Quantum will be a game changer

• ビジネス上の問題があり、それをもっと早く解決できれば、実際に重要な価値が得られる、問題をより速く解決する能力が物質的な価値を生み出す問題を特定できれば、突然、量子コンピューターが非常に興味深いものになります。

（ここでは量子コンピュータの量子ビット を子供にたとえて、量子コンピュータでどうやって制御をしているのか、実際に子供と同じようにじっとさせることが難しいこと、どうやって静かにさせるか、話をさせるにはどうしたらいいかなどユーモアを交えてお話されていました）

• これは私たちが実際に何人かのクライアントと協力して構築したもので機械学習アルゴリズムをテストすることでした。これにあわせて、量子機械学習の研究も行いました
• AWS Bracketをさまざまな分野で使用することの優れている点は、さまざまなハードウェアにアクセスできること、イオントラップシステムは、フォトニックシステムや超伝導システムとは動作が大きく異なり、特性も異なることがわかりました。 それらはすべて少しずつ異なっており、実際の仕事をしようとすると、その違いが大きな問題になります。
• Amazon Braket の良いところはAWSエコシステムに統合されていることです。
• AWS の素晴らしいところは、すべてのデータが 1 か所にあるだけでなく、バックエンドシステムに接続して、その間に他のことに時間を費やすのではなく、簡単に作業を完了できることです。

Anatomy of a (practical) Quantum Computer

(ここからOskar Painter 氏の講演になります）

• 私の本当の目的は、量子コンピューターを構築するために何が必要かをわかりやすく説明することです。
• 今日の講演では、量子コンピューターを構築する際の内部構造と複雑さについて説明します。
• AWS では、量子ハードウェアプログラムにおいて、商業的に関連する計算を量子的に大きなアドバンテージで計算できる実用的な量子コンピューターの構築に注力しています。

Criteria for a “practical” quantum computer

• 実用的な量子コンピューターとは
  • 100を超える論理量子ビットを備えた量子プロセッサーが必要
  • これらの量子ビットの間にユニバーサルゲートセットを実装する必要があることです。
  • エラーがなく、量子プロセッサに約10億の深い回路を実行させる必要があります。
  • これらの回路の深さが非常に大きいため、量子コンピューターを妥当な速度でクロックする必要があります。
• 現在の最先端技術は、ゲートのエラー率が10分の1パーセントで、これは実用的な量子コンピューターから９桁も離れているのが現状です

Lowering error rates

• エラー発生率を低減するには
  • 環境ノイズを減らす
  • 量子ビットを基礎物理レベルで改良する
  • 量子エラー訂正を利用した新しいアーキテクチャに取り組む
• 量子エラー訂正は実際にはかなり難しい

• AWS で開発している特定のタイプのハードウェアについてお話しします。
• 超接続量子ビットを中心に構築されています。

• ボソニック量子誤り訂正
• この種のボソニック量子誤り訂正システムでかなりの進歩を遂げました。ユニークな特徴の1つは、ビットフリップとフェーズフリップの2種類のエラーがあったことをお伝えしたことです。これらのシステムでは、ビットフリップを指数関数的に抑制できることがわかりました。

• 量子エラー訂正によってソフトウェアスタックは根本的に変わります。
• 従来のコンピューティングが量子コンピューティングから切り離されることは決してない
• 量子計算を実行するための従来の計算能力がますます必要になります。

• 重要なアプリケーションを、100論理量子ビットレベルでターゲットにすることができます。
• アルゴリズムも開発する予定です。
• 新しいアーキテクチャと量子エラー訂正に適した、より良いものを開発するだけではありません。ある種のアプリケーションで、私たちも気づいていなかったような新しいアルゴリズムを開発し、発見することも意味します。

Quantum networks

• Amazonで開発している新しい領域についてお話しします。
• プロセッサーをスケールアウトさせることが重要だとお話しました。
• コンピュータの台数に応じて弾性システムを線形にスケールアウトさせ、性能を線形に向上させることができます。量子コンピュータの場合は、それは指数関数的に向上します
• 量子コンピュータを他の量子コンピュータのクラスターに追加すれば、私の量子コンピュータのパワーがプラス1されるだけでなく、2倍になります
• 量子ネットワークがあれば、指数関数的なスケーリングが可能なのです。
• 実際、AWS Center for Quantum Networkingを発表しています。

Who are the customers for quantum

(ここから再度 Simone Severini 氏の講演になります)

• そしてセッションの最後の部分では、お客様の話に戻って、お客様と話をして実際に学んでいることに焦点を当て、現在人々が何をしているのかを確認したいと思います。
• 今日の量子コンピューティングの顧客は誰ですか？
• お客様には、パイオニア、イネーブラー、実用主義者の3種類があります。

Amazon Braket Pulse

• パイオニアたちは最先端技術を推し進めており、これらの原始的なデバイス、量子コンピューターを最大限に活用するためのツールを必要としています。
• 量子コンピューターを徹底的に理解し、できればハードウェアを構築している人々にフィードバックを与えることさえしたいと考えています。
• 数週間前にAmazon Braket Pulse を発表しました。
• 量子ハードウェアにできるだけ近い状態で量子コンピューターにアクセスして、計算を制御するアナログ信号やパルスを実際に操作できるようにする

Analog Hamiltonian Simulation

• パイオニアは新しいユースケースを探求したいと考えています。そのため、新しいタイプのプロセッサー (Aquila)を発売しました。
• Amazon Bracketのまったく新しいタイプのプロセッサです
• 非常に特殊なタイプの問題を解決できる量子コンピューターを発売しました。これは万能な量子コンピューターではなく、特定の種類の問題のみを解決できます。

Amazon Braket Hybrid Jobs

• イネーブラーが私たちに解決を求めている問題は、アプリケーションを開発するためのプログラミングインターフェイスを提供することです。
• 量子リソースと既知の量子リソースをオーケストレーションする方法
• 量子コンピューターと従来のコンピューターを連動させて、量子コンピューターと従来のコンピューターを連携させて使用するハイブリッド量子/古典計算
  • 量子コンピューターと古典コンピューターの間を行き来するハイブリッドフレームワークを必要とする潜在的に有望なアルゴリズムがいくつかある
  • 何百もの量子計算を手作業で行うことは基本的に不可能

• 実用主義者はビジネス上の問題を解決したいと思っています。
• 量子コンピューターがいつかビジネスに影響するかどうかを理解するために必要なサポートを得るために、イネーブラーと協力して取り組んでいます。
• ここではAmazon Bracket で構築している企業、またはプロフェッショナルサービスと連携している企業が掲載されています。

So how can I get started?

• 量子ワークロード、量子コンピューティングの研究を希望する科学者またはベンダーであれば、研究用 AWS クラウドクレジットを申請できます。
• 当社の専門サービスチーム(Amazon Quantum Solutionos Lab)にご相談ください。
• BMW Group Quantum Computing Challengeの勝者が発表されました。
• このテクノロジーには大きな可能性が秘められています。
• 本当に重要なキーワードは探求と学習です。

感想

４つのセクションにわかれ、１時間程度のセッションだったのですが、おもったよりもレポートに時間がかかりました。公開されている動画を見返すとわりと新しい発表なども盛り込まれており興味深いセッションでした。量子コンピュータ(Amazon Braket)を始めてみようと思っている方でしたら視聴していただき、いままでのAmazon Braketのとりくみや、今後の展望などをサマリーできるのではないかと思います。