[レポート] AWSで量子コンピュータを始めよう~量子コンピュータとAmazon Braketの紹介~ #reinvent

re:Invent2019のセッション、「CMP213-R - [NEW LAUNCH!] [REPEAT] Introducing quantum computing with AWS」のレポートです。

AWS re:Invent 2019

#レポート

#AWS

Shirota

2019.12.05

この記事は公開されてから1年以上経過しています。情報が古い可能性がありますので、ご注意ください。

こんにちは。AWS事業本部のShirotaです。

いつもの挨拶を省いてお届けしているのは、re:Invent2019のセッションレポートについて速攻でお届けしようと思っているからです！
今回はセッション、「Introducing quantum computing with AWS」についての内容をお届けしたいと思います。

それでは早速行ってみましょう！

セッション情報

セッション名

CMP213-R - [NEW LAUNCH!] [REPEAT] Introducing quantum computing with AWS

セッションの概要

Quantum computing has the potential to solve computational problems that are beyond the reach of classical computers. Amazon Braket and the Amazon Quantum Solutions Lab help customers explore quantum computing, evaluate its potential, and develop expertise. Amazon Braket is a managed service that provides customers access to quantum computing resources and makes it easy to build, simulate, and test quantum computing applications. The Quantum Solutions Lab connects customers with quantum experts for education and collaboration. In this session, learn about the potential of quantum computing and how you can get started with the Amazon Braket service and the Quantum Solutions Lab.

量子コンピュータは今までのコンピュータでのアプローチを圧倒的に飛び越えた問題解決力をもっています。
そんな中、流星のごとく現れたAWSのマネージドな量子コンピュータサービス、「Amazon Braket」。量子コンピュータについての理解を学びつつ、「Amazon Braket」や「Quantum Solutions Lab」についてを教えてもらえるようです。

スピーカー

Fernando G.S.L Brandao - Bren Professor of Physics, Caltech Head of Quantum Algorithms,Amazon Web Services
Eric M. Kessler - Head of WW Business Development - Quantum Computing, Amazon Web Services

セッション予約のページと肩書きが多少異なるのは、スライドにあった肩書きに更新している為です。

セッションの内容

まず前半は、Fernando G.S.L Brandaoさんに依る量子コンピューティングの話です。

量子コンピューティングについて

斬新な手法でコンピューティングのパフォーマンスを上げる為に量子のミクロな世界の複雑な物理法則を探検する事になる
パフォーマンスが10xでなく10^x で上がる、新たなパラダイム
大規模な量子コンピュータの為のハードウェアの構築には、難解な科学や工学に挑戦する事になる
「NISQ（Noisy Intermediate Scale Quantum）」の時代の入り口に立ったところ
- NISQとは適度にノイズがある事からスケールを制限している量子コンピュータの事
- もちろん目指すところは遠いが、これだけでもやれる事は多い
量子力学が今までに身の回りにもたらした発展
- NMR(核磁気共鳴): MRIに利用されている
- レーザー: レーザー光発生の原理
- トランジスタ: 真空管から半導体へ
量子シミュレーションは大変
- システムの大きさと共に処理能力とコストが指数関数的に伸びる
  - 量子ビット数(n)につきシミュレートが2^nステップ踏む事になるから
    - 量子もつれにより、重ね合わせの状態を全ビットが持つ
  - なので30量子ビット=16Gbだとしたら、10ビットずつ増やすだけで16Tb、16Pb……となってしまう
コンピュータでの物理シミュレーション
- リチャード・P・ファインマンが量子コンピュータを提唱した
  - 自然をシミュレーションする為に量子コンピュータが必要になる

量子力学について

基本単位:量子ビットについて

▲ 上がブラケット記法に依る表記、αとβは真ん中の式の関係を満たす複素数

量子の重ね合わせ、干渉、もつれといった概念
n量子ビットのシステムはブラケット記法で下の式のように表せる
- これがすごく回路に似ている為、回路として記述することができる

今世紀の量子技術

▲ 旧来のブール回路と量子回路

量子シミュレータの方式

超伝導量子ビット方式
イオントラップ方式
リュードベリ原子方式
シリコン量子ビット

量子コンピュータのアプリケーション

暗号化技術: 2048ビットRSA暗号を破る(〜6000量子ビットで)
- 今まで四兆年程度はかかると言われていた解読が数分でできる
物理学/化学: FeMocoのシミュレーション(〜200量子ビットで)
- FeMocoは触媒となり大気中の窒素を植物が使用できる形に変形できる
- FeMoco分子自体が複雑で解析は時間がかかると考えられていた
物性科学: 高温超伝導のシミュレーション(〜70量子ビットで)
最適化: スケジューリング問題、ランク問題、機械学習(~100量子ビットで)

量子誤り訂正

ビット反転エラーといったエラーを訂正する
量子ビットのオーバーヘッドとエラー率はエラーコレクションのしきい値に収束する
エラー訂正としては量子ビットの冗長化を行う

量子超越性

かつて、電卓と"学者"が戦った
- 大きな数を掛け合わせる事において、電卓は人間の脳を「超越」した

NISQ(Noisy Intermediate-Scale Quantum)

NISQとは適度にノイズがある事からスケールを制限している量子コンピュータの事
50量子バイト以下だとそもそもアプリケーションを動かすのが不可能
最低でも100k量子バイトあれば確実にアプリケーションが動く
ただ、オーバーヘッドとエラー率の関係からも改善には時間がかかるので、まずはNISQを使い始めよう！

ここで話者交代。Eric M. KesslerさんがAmazon Braketの話を始めました。

なぜ今量子コンピュータなのか

長期で見て発展していく可能性が高い
量子コンピュータは最先端の体制(量子超越性の実証が2019年10月23日に発表されたばかり)だから

Amazon Braketの紹介

全ての開発者・科学者が量子コンピュータを使えるようにする
- 設計
  - マネージドなJupiter Lab環境
- テスト
  - 回路シミュレータを用意
    - シュレディンガーシミュレータ
    - テンソルネットワークシミュレータ
  - サーバレス
  - 最適化されたパフォーマンス
  - 個々の回路とハイブリッドジョブ
- 実行
  - マネージドなハイブリッド量子アルゴリズムの実行