[レポート] QTC202 量子アプリケーションとPOCの本番への移行 #reinvent

2023.01.22

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
「QTC202 量子アプリケーションとPOCsから本番への移行」をレポートしたいと思います。

※※※ 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。
※※※

セッション概要

タイトル

Quantum applications and taking POCs to production

概要

The Amazon Quantum Solutions Lab works closely with enterprise customers to help build and carry out strategic roadmaps for quantum computing applications. This session showcases customer examples of applying quantum technologies to advance organizational R&D objectives and solve computationally difficult problems using some of the most advanced technologies at AWS. This session will help you gain an understanding of how to leverage quantum and related advanced technologies today while preparing for a fault-tolerant quantum future.

Amazon Quantum Solutions Labは、企業のお客様と密接に連携し、量子コンピューティングアプリケーションの戦略的ロードマップの構築と実行を支援しています。本セッションでは、量子技術を適用して組織の研究開発目標を推し進め、AWSの最先端のテクノロジーを使用して計算困難な問題を解決するために量子技術を適用したお客様の事例を紹介します。このセッションは、フォールトトレラントな量子未来に備えながら、量子および関連する高度な技術を今日どのように活用するかを理解するのに役立ちます。

スピーカー

Helmut Katzgraber, Senior Practice Manager – Quantum Solutions Lab, Amazon Web Services

セッション動画

AWS re:Invent 2022 - Quantum applications and taking POCs to production (QTC202)

セッション資料

セッション内容

Outline

  • このセッションの概要
    • AWSでの量子コンピューティングの概要
    • 誇大広告 対 現実について
    • 量子ソリューション研究所について
    • POC を本番環境に導入する方法について
    • BMWグループとの驚異的なコラボレーションについて

What is quantum computing?

  • 量子コンピューティングとは?
    • 世界で最も困難な問題のいくつかを解決するための新しいパラダイム
    • 物理問題を解決するために物理学者が設計した、本質的に物理的な機械
    • 最も困難な問題のいくつかを解決できる可能性がある
  • 最適化は、現在、量子技術で最も人気のあるユースケース
  • 現在市場に出回っている量子コンピューターについて
    • ノイズの多い量子デバイス
    • フォールトトレラントまたはエラー修正された量子デバイス
      • より多くの量子ビットを必要とする

Quantum pillars at AWS

  • AWS での量子処理の概要
  • 私たちの量子プログラムは、主に3つの柱で構成されています
  • Amazonブラケット(左)
    • クラウドの量子バックエンドにアクセスできるフルマネージド型のサービス
  • 量子コンピューティングのセンター(右)
  • 量子ソリューション研究室(中央)
    • 私たちは基本的に、お客様と AWS が提供するものをつなぐ役目を果たします。

Amazon Braket

  • Amazon Braketには5つの異なるデバイスが用意されています
  • オレンジ色の線で下線が引かれた左側には、いわゆるデジタルプログラマブルデバイスがあります。
    • SDKに簡単なコードを記述し、そのコードを実行して量子計算を行うことができるデバイスです。
    • 量子ビットの数が十分に大きくないという理由で、エラー訂正スキームをまだ実装できずノイズが多くなります。
  • 右側には、特殊用途の機器があります。
  • これらはすべて今日利用可能です
  • 実際の量子ハードウェアで実行する前に実験したい場合に備えて、シミュレーターにアクセスできます。
  • さまざまな量子マシンと従来のワークロードを組み合わせてハイブリッドソリューションを構築できるハイブリッドマネージドジョブを実行できます。

AWS Center for Quantum Computing

  • 量子技術センターについて

AWS Center for Quantum Networking

  • 量子ネットワークセンターについて
  • ハードウェアとソフトウェアの両方、および量子ネットワークのアプリケーションを開発しています。
  • データセンターとクラウドの間で暗号化キーを誰にも盗聴されずに転送できる、量子的に安全な環境を作ることです。なぜなら、量子状態を観察した瞬間、量子状態は崩壊するからです。

Amazon Quantum Solutions Lab

  • 量子ソリューション研究室について
  • 私たちの使命は、スケーラブルな量子コンピューターを導入する段階に備えてお客様を準備すること
  • 私たちは常にお客様から始めて、お客様のユースケースから逆算して作業します。

Near term applications: Myth vs. reality

  • 神話と現実について

  • ビッグデータに関する問題
  • 横軸はちょっと変な軸ですが、いわゆるスピードアップポテンシャルになります
  • 指数関数は、量子マシンでは線形時間で解くことができます。
  • 右下のグループは指数関数的にスピードアップしますがノイズに敏感で、量子ハードウェアが少し不完全な場合、これは機能しません。
  • 左上には主力製品があります。 これらはノイズに強いですが、指数関数的なものに比べてスピードアップの可能性はそれほど高くありません。そして、ここではVQE、QAOAのバリエーションがあります。
  • 指数関数的に高速化されたアルゴリズムがもっとたくさん必要です。
  • エラー修正された量子コンピューターができれば、化学は最初の価値の高いアプリケーションになるでしょう。

End to end QSL engagement example: Portfolio optimization in finance

  • ポートフォリオの最適化と財務
  • さて、このスライドで本当に重要で重要な点は、この紫色のボックスです。これは数学的モデリングです。 これを正しく行えば、量子マシン上で解決できるだけでなく、現在の AWS の従来のハードウェア、標準 HPC インフラストラクチャで大規模に解決できる可能性があるからです。
  • つまり、問題を将来的に証明することになり、HPCで今日取り組むことができます。量子ハードウェアが追いついたら、スイッチをフリックして、クラウドセットアップのコードを1行変更すれば、準備は万端です。それが目標です。

From POC to production

  • POC から本番環境への移行
  • 今日どのように解決するのが最善か、そして明日量子デバイスで解決できる可能性についてまとめました
  • 製造、物流、化学、金融の4つの業種
  • 色分けされた立方体
    • 黒色は使用しないということを表しています
    • 赤色は、ハイパフォーマンスのコンピューティングを利用する
    • サーモンカラーは、機械学習で解決するのに適した問題
    • 白色は、大きなオーバーヘッドを発生させることなく、最終的にこれを量子コンピューター上で非常に効果的に実行できる
    • 紫色は、定評のある従来のオペレーションズ・リサーチ・ツールを使うか、私たちがチームで開発した、自然に触発されたアルゴリズムと呼ばれるものを使っています。
  • 化学やシミュレーションでは、すべてのボックスが白です。量子マシンは量子現象を活用するように設計されているからです。化学と材料では、量子力学に他なりません。 したがって、これらは将来の量子デバイスで解決するのに非常に適しています。
  • 興味深いことに、金融業界では量子コンピュータに大きな関心が寄せられています。

Use case: Robot motion planning

  • BMWのロボット・モーション・プランニングで行ったこと
  • 量子デバイスが理解できるこのQUBO形式に変換し、ハイブリッド量子アプローチで解決しましたが、すぐに約30の継ぎ目を使い果たしました。
  • ミドルマイルの最適化から活用したランダムキーオプティマイザーという新しいタイプのアルゴリズムという非常に賢いアイデアを思いつきました。
  • 目新しいのは、このランダムキーオプティマイザーを物理学のひざまずき解除アルゴリズムと組み合わせたことです。これにより、ロボットの実行時間を 10% 向上させることができました。

Use case: Binary paint shop problem

  • フォルクスワーゲングループのバイナリペイントショップ
  • IonQのアイアントラップハードウェアで実行されるQAOAと呼ばれるアルゴリズムを使用して、ほんの一握りの車両で小さな問題を検証して、それが実現可能であることを示すために、非常に簡単な概念実証を行いました。

Use case: Options pricing

  • オプション価格
  • オプションとは、いくつかの大手銀行が提供している金融商品です。
  • また、オプション価格設定は、いわゆる確率微分方程式で表されます。 これは、ノイズ項と連動して株価がどのように動くかを表す数学方程式の一種です。 現在、これらの株には相関関係があります。
  • 銀行ではモンテカルロシミュレーションを使用しています。
  • テンソルネットワークが量子システムをシミュレートし、高次元空間をより扱いやすいものでなぜこれらの確率微分方程式の1つでこれができないのかということです。一番下にある小さなグラフであるヨーロッパのオプションでは、テンソルネットワークでもほぼ同じスケーリングが得られますが、モンテカルロよりも100万倍の速度になります。
  • 同じ問題を解決するのに 100 万台少ないコンピューティングを使用しなければならないのであれば、かなりの費用を節約できます。

Use case: Fraud detection

  • 不正行為の検出
  • 今日の不正検出の仕組みを見ると、通常、機械学習を使って外れ値やパターンを見つけ出す表形式のデータになっています。
  • 財務データや購入データについて考えてみると、本質的にグラフベースのデータがあります。
  • 今できることは、このグラフのグラフ構造を分析できるということですね。左下に、実際に量子マシンを活用した小規模なPOC内の簡単な例があります。
  • このプロセスを説明する数式は、量子マシンでネイティブに実行されます。 これを量子コンピューターで実行できます。
  • 現在の AWS では、グラフニューラルネットワークとまったく同じグラフベースの問題を大規模に解決することもできます。
  • そこで、不正検出のために表形式のデータを見る代わりに、グラフベースの不正検出を行って、ある時点で量子ハードウェアで問題を実行できるようにする数学的な形式を利用できるようになりました。

Harnessing creative minds: BMW-AWS challenage

  • BMW量子コンピューティングチャレンジ
  • BMW が抱えるより困難な問題のいくつかに対する量子コンピューティングソリューションを発見し、提出されたこれらのソリューションアプローチを、AWS でホストされている実際の量子デバイスで実際にテストすること
  • クアンタム・ソリューションズ・ラボはBMWと協力しました。
  • プラントで発生している非常に困難で困難な問題をいくつか調べ、そこから、これが量子に適していると思われる問題のサブセットを特定しました。
  • 主な問題を 4 つに絞り込んでチャレンジを行いました。
  • さて、なぜこれが重要だったのでしょうか?16人のファイナリスト全員が作品を発表することができたので、これは重要でした。
  • 私たちが考えもしなかった解決策のアプローチのいくつかを伝えておかなければなりません。 そして、これが本当に皆さんに奨励したいことです。これが今日のあなたへの私の行動への呼びかけです。 ご存知のように、量子物理学は理解するのが難しい奇妙なことかもしれませんが、問題に新たな目を向け、別の角度から見ると、これまで考えもしなかった解決策が明らかになることがよくあります。

Now is the right time to explore applications!

  • 今こそ、量子応用を探求する絶好の機会だと思います。
  • なぜ?これらのマシンを大規模に構築し始めるときは、これらのマシンで何ができるかを理解する必要があります。
  • また、どの問題が量子ハードウェアから大きな恩恵を受けるかを理解する必要もあります。
  • 私たちは共創する必要があります。 私たちはすべての分野の専門家ではないため、創造的なソリューションを考え出すために協力してくれるあなたのご協力が必要です。
  • しかし、これらの量子的課題にも焦点を当てる必要があります。
  • そして最後に、目標はシンプルです。ユースケースポートフォリオを構築することです。
  • もっと重要なことは、これは私にとってとても大切なことですが、誇大広告を切り捨てる必要があります。
  • 量子マシンができると主張されていることの中には、事実と異なることがあまりにも多いのです。私がこのような理性の声を上げることがとても重要なのです。

感想

AWSで取り組んでいる量子コンピュータの内容がほぼ網羅されており、どのようにして、AWSと量子コンピュータのアプリケーションを開発していくか説明されていました。

量子コンピュータが実際にどの分野やで役立ちそうか、またそのために、AWS(量子コンピューティングラボ)では、そのようなアプローチを行っているのか、実際の事例の紹介となります。

業種ごとに量子コンピューティングまた、量子コンピューティング以外のアプローチを使用してどのように解決すべきなど、ビジネス的な視点で紹介されているセッションでした。