Amazon Braketで最初の量子回路を作る

Pulisher : Cloud Technology Center キム・ビョンジュ
Description : 量子コンピューターの簡単な紹介とAmazon Bracketのワークショップ

はじめに

量子コンピューティング技術は非常に未来志向的な技術であり、今はあまりスポットライトを浴びていない技術です。 それにもかかわらず、量子コンピューティングは現在のコンピューティング構造の限界点を解決するために出てきた技術として注目されている分野です。

特に、データエンジニアリング/データ分析分野/セキュリティ、暗号分野で大きな関心を持っている技術です。本セッションを通じて、量子コンピューティングをより深く理解し、ガイドできるようにすることを目的に本セッションを申し込みました。

セッションの概要紹介

このセッションは、量子コンピューターの簡単な紹介とBraketの短いワークショップで構成されています。Braketはまだ安定化されていない量子コンピューティングに関する技術をサービス化したもので、まだリファレンスというよりは、サービス自体を簡単に使えるようにすることに焦点を当てています。

量子コンピューティングの概念

量子コンピューティングは、量子という概念を一つのBitの単位として使うことで実現します。これをQuantum Bit Qbit(キュービット)といいますが、このセッションではQbitの特徴を大きく二つに分けて説明しました。

superposition(重ね合わせ)、entanglement(絡み合い) 量子は、私たちが状態を観察するまでは状態を測定することができません。 有名な逆説にはシュレディンガーの猫があります。シュレディンガーの猫は死んだのでしょうか、それとも生きたのでしょうか？

開けるまで理解するのは難しいですが、両方とも存在するそうです。 これを私たちは重畳と呼びます。

もし同じ条件の2つの箱があり、2匹の猫は同じ運命に生まれるとしたとき、1つの箱を開けて猫が生きていれば、他の猫も生きています。これを私たちは絡み合いと言います。

私たちは、qubitの状態を変更するために、qubit control から次のような信号を発して信号を変えるようにします。真ん中のパルスは二つのqubitの状態を同時に変える信号を想定したものです。

量子コンピューティングが注目される理由

では、なぜ量子コンピューティングが注目されているのでしょうか？ 実際に図を見ると、問題の規模が大きくなればなるほど、従来のコンピューティングでは対応が難しいのに対し、量子コンピューターを使えば大きな問題であっても、より簡単に解決できるからです。 代表的に暗号化のような場合、現在のコンピューターでは演算に多くの時間がかかり、やや安全ですが、量子コンピューターがこれを演算する瞬間、瞬時にその暗号を演算することができます。

そこで、量子コンピューティングを整理すると、大きく3つにまとめることができます。

第一に、量子物理学を利用した新しいパラダイムです。

第二に、一部の問題を従来のコンピューティングに比べて効果的に解決することができます。

第三に、ハードウェア的な部分でこれを設計して構築することは非常に難しい課題です（干渉あるいは他の要因によりエラーが発生するため）

AWSでの量子コンピューティングの活用方法

そこでAWSでは、このような量子コンピューティングでクラウドコンピューティングの利点を活用し、お客様に量子コンピューターを活用し、使用できるように多くのサポートを行っています。サポートには、継続的な教育の提供や量子アルゴリズム、量子ハードウェアの開発や投資を行っているそうです。

そこでAmazon Bracketは量子物理学の用語である(量子状態を表示する標準表記法)から取ったサービスで、顧客はPython SDKを活用して様々なタイプの量子ハードウェア(シミュレーション、イオントラップ、超伝導体)ベースのテストや分析ができるように設計しました。

このような量子コンピュータは、量子の観察時に結果が確定すること、そしてエラーに敏感であるという特性から、shot、Task、Hybrid jobの方式で作業が行われます。

shotは単一実行回数として一度だけ結果を観察することを意味し、Taskはそのshotをたくさん実行させて確率的に正解に近い過程を導き出すことを意味します。

Hybrid jobは、そのshotあるいはTaskを通して出てきた結果を再び従来のコンピューティングでデータを処理した後、再び量子コンピューティングに演算を合わせることを意味します。

量子ハードウェア

AWSではAWSで提供するシミュレーションハードウェア以外にもIQuEra, ION Q, rigetti様々な企業の量子ハードウェアも使えるように提供しています。もちろん、これらの様々な方式のハードウェアを簡単に使えるようにPython SDKに統合して提供しています。

Amazon Bracket
Amazon Bracketは利用者に様々な方式のアクセス経路を提供し、これを安全かつ効率的に使用できるようにIAM、KMS、Cloudwatchなど様々なサービスと連携するように設計されたサービスです。

Workshop

ワークショップのアーキテクチャは次のようになります。 ユーザーは実習開始を押すと、notebookソースコードが含まれたjupyter notebook環境が提供されます。

下記のノートパソコン環境に接続します。このノートパソコンと関連したソースコードはBracket githubでも提供されます
(amazon-braket-examples/examples at main – amazon-braket/amazon-braket-examples – GitHub).

ワークショップでは、当該ノートパソコンのコードを実行させながら、GHZ状態を準備する量子回路を稼働させ、3つの環境(ローカルで、sv1、tn1)でテスト後、結果を導き出します。

セッションを終えて

量子コンピューティングは一般的なコンピュータとは異なり、非常に馴染みのない概念です。 また、量子コンピュータを扱うハードウェアを購入して管理することも非常に難しいです。しかし、クラウドコンピューティングの利点とBracketのPython SDKを通じて、ユーザーは様々なタイプの量子コンピューターを簡単に試すことができることを知りました。

市場の変化と市場の要求事項を満足させ、これを加速させることができる答えはAWSにあるようです。