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OpenQL Seminar Guidance

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OpenQL勉強会 ガイダンス&基礎・応用 の資料です。
・量子コンピューター分野の現状
・量子コンピューターの動作の基礎的な説明

Published in: Technology
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OpenQL Seminar Guidance

  1. 1. OpenQL Project, 2018 Page. 1 OpenQL勉強会 ガイダンス&基礎・応用 2018.01.29 @k_yamaz 本資料について ・正確性を目指して、資料作成や発表を心がけております。 科学的・技術的な内容は出典のある文献やプログラムを動作した 結果をもとにしておりますが、発表者が調査できた狭い範囲での内容であり、 網羅性のある情報や、多角的な情報ではございません。 また、発表者の主観で書かれた箇所もございます。 もし、誤りなどのお気づきの点などがあれば、ご指摘ください。 ・画面キャプチャした画像内に記載されている内容に関しては、 出典の各サイトに著作権がございます。
  2. 2. Page. 2OpenQL Project, 2018 量子コンピューターの分類(?) ガイダンス 1/13 量子ゲート方式(量子回路) 量子アニーリング方式(イジングマシン) 目的 すべての計算 (通常のコンピューターの上位互換) 組み合わせ最適化問題とサンプリング (門脇・西森が提案した方式) 強み 指数関数的な高速化が保証されているアル ゴリズムがある。 最適化問題やサンプリングは実社会での応 用範囲が極めて広い。 ノイズに比較的強い。 弱み ノイズに極めて弱い。誤り訂正によりノイ ズの影響を除去できることが保証されてい るが、実装には非常に多くの量子ビットを 必要とし現実性に欠ける。 高速化が保証されている数個の問題(素因 数分解、量子シミュレーションなど)以外 では通常のコンピューターを上回る性能は 現状は出ていない。 指数関数的な高速化が保証されている実用 的な問題が見つかっていない。 結合数に制約があり、解法できる問題が限 定されることがある。 実装状況 20量子ビット → 50量子ビットを目指して競争激化 (超伝導、イオン、光、量子ドットなど) 約2000量子ビット →5000量子ビットを目指している (超伝導、光) 実装状況は、https://quantumcomputingreport.com/ に最新情報が報告されています。
  3. 3. Page. 3OpenQL Project, 2018 巨人たちの取り組み QISKit Q# OpenFermion A full-stack solution for quantum computing ü Physics ü Materials ü Devices ü Control ü Runtime ü Applications 【Hardware】 focus on topological quantum computing through Majorana fermions including Visual Studio 初期には、 購入して研究 【Hardware】 ü Transmon 型の開発 ü 22 qubit(論文あり) ü 49 qubit 目前? (2017年中は断念) アプリケーションレイアを 先行して提供 【Hardware】 ü IBM Q の無償・商用提供 ü 5 qubit ü 16 qubit, 20 qubit ü 50 qubit の計画も発表 ガイダンス 2/13 John Martinis (UCSB) 2014.02 2017.12 2017.10 2009.12 - 2014.12? 2017.12 2016.05 2017.03 Quantum Supremacy Quantum Science → Quantum Ready → Quantum Advantage Bill Gates は 批判的? 2017.09- John Preskill(CIT) LIQi|>改め Microsoft Google D-Wave I B M
  4. 4. Page. 4OpenQL Project, 2018 世界の動向 Japan Canada ü 東北大 大関さん ü 早稲田大 田中さん ü デンソーなど オンライン利用 【Hardware】 ü 東大古澤研:光量子 ü 東大中村研:超伝導量子 └杉山さん ü 理研(東大)樽茶研 ü 慶應大学:IBM Q Network Hub : Europe China Australia USA 【SDK】 pyQuil 【Hardware】 Transmon 型の開発 ü 富士通 ü アクセンチュア 出資&技術提携 India 理論研究が盛んか? 【Hardware】 Tangle Lake (49 qubit を実現と公表) 【Hardware】 CMOS Flip-flop qubit サウスウェールズ大学 (UNSW) Asia Russia 51-atom quantum simulator Russian Quantum Center ガイダンス 3/13 2018.01 2017.07 2017.09 2017.09 2017.10 2018.01 2017.12 2017.12 2017.12 【理論】京大 藤井さん JSR、日立金属、 本田技術研究所、 長瀬産業 ベンチャー多数 intel QUTech 1QBit D-Wave rigetti ION Q QNN cloud 【Hardware】 イオントラップ 型潘建偉 (中国科技大学) ・量子通信(衛星:墨子号) ・国家プロジェクトが 始動する模様
  5. 5. Page. 5OpenQL Project, 2018 量子コンピューターの実現方式(超電導型) ガイダンス 4/13 @utsugitakeru 宇津木健(うつぎたける)さんのまとめより
  6. 6. Page. 6OpenQL Project, 2018 量子コンピューターの実現方式(超電導以外、ゲート方式以外) ガイダンス 5/13 @utsugitakeru 宇津木健(うつぎたける)さんのまとめより
  7. 7. Page. 7OpenQL Project, 2018 量子プログラミング言語(もしくはライブラリ)のまとめ ★Python 系:いま、最も盛んに開発されています。 QISKit :IBM Q をクラウド経由で利用するためのライブラリ。 pyQuil :Rigetti 量子コンピューターをクラウド経由で利用するためのライブラリ。 QuTip :Rikenが中心となっている模様。 ProjectQ:ETH Zurich 量子コンピューティングのOSSフレームワーク。 OpenFermion:Google アプリケーション系も扱えるライブラリ。量子化学計算など。 ★C / C++ / C-- / F# 系:OSSでの開発はあまり盛んではない? Q# :Microsoft LIQUi|> (F#ベース)を一新。2017年12月リリース. Non-OSS. qpp :modern C++11。 libquantum :rpm, deb, brew にパッケージ有り。 ★Haskell 系:論文でのほかの実装提案も見かけるが、開発はあまり盛んではない。 qio-haskell :量子モナドとして利用可能であるが、用途が限定的? Quipper :最近の GHC のアップデートに追いついていない。 https://github.com/openql-org?tab=stars に Github にあるOSSを集めています。 ガイダンス 6/13
  8. 8. Page. 8OpenQL Project, 2018 量子コンピューターの概念図 Uf (x) |0…0> n qubit 方程式 (関数) 確率密度関数 Pr(x) 確率p0 確率pn …… |q0 …qn> |q0’…qn’> …… (2n) f (x) 量子コンパイル 量子アセンブラ (実際のプログラム) 量子ビット[qubit] 計算基底による測定 ユニタリ行列の時間発展 2n個の複素数 エラー制御 誤り訂正 コヒーレント時間 (計算時間) 《入力》 《出力》 《QPU》 試行回数:M U = Clifford + T (T-count) 最適化 ∫Pr(x)dx = 1 制約条件 Σ(|αn|2 +|βn|2) = 1 ガイダンス 7/13 基本的なユニタリ演算子: X, Y, Z, CX, S, T, … 量子ビットの 結合グラフ
  9. 9. Page. 9OpenQL Project, 2018 量子コンピューターの演算 ガイダンス 8/13 |0> 上位qubit |0> 下位qubitX H 演算方向 H ← |00> ← |01> ← |10> ← |11> (|00>+|01>+|10>+|11>) 1 2 HH ×× (|00>+|01>+|10>-|11>) 1 2 |00> <00| → ( 1 0 0 0 ) × <01| → ( 0 1 0 0 ) × <10| → ( 0 0 1 0 ) × <11| → ( 0 0 0 1 ) × 1 4 1 4 1 4 1 4 |pn|2 量子ビットユニタリ行列の時間発展計算基底による測定 = H⊗H = (I⊗H)・CX・(I⊗H)
  10. 10. Page. 10OpenQL Project, 2018 レジストリ・命令セット・メモリ (量子 vs 古典) 量子レジスタ rA:= 18,446,744,073,709,551,616 古典レジスタ n bit …… … 古典命令セット量子命令セット 計算、条件分岐 = ユニタリ変換 X, Y, Z, S, T, CNOT, … ・計算 ADD,SUB,MUL,… ・データ転送 MOV, … ・条件分岐 JL, JLE, JZ, JN, JNE,… 量子メモリ 古典メモリ addr : value n bit n bit addr : (状態qT 0, α0), (状態qF 0, β0), (状態qT 1, α1), (状態qF 1, β1), n qubit? … n qubit? データ転送? arxiv:0708.1879 に 提案はあるが、研究は これから 制約条件 Σ(|αn|2 +|βn|2) = 1 n qubit = 2n state rA:= (ST_q0, α0), (ST_q1, β0), (ST_q2, α1), (ST_q3, β1), ガイダンス 9/13
  11. 11. Page. 11OpenQL Project, 2018 レジストリ・命令セット (量子を古典で表す) 量子レジスタ m0:= α0 , m1:= β0 , m2:= α1 , m3:= β1 , 制約条件 Σ(|αn|2 +|βn|2) = 1 2n 個のメモリ空間 … rA:= (ST_q0, α0), (ST_q1, β0), (ST_q2, α1), (ST_q3, β1), … n qubit 複素行列演算量子命令セット 計算、条件分岐 = ユニタリ変換 X, Y, Z, S, T, CNOT, … 2n × 2n 複素行列 → ZX分解 など =シミュレート・エミュレート = 2n state 2n 個 計算基底による測定 メモリ読込&確率計算 … 230≒1.1 Giga 個 240≒1.1 Tera 個 250≒1.1 Peta 個 ガイダンス 10/13
  12. 12. Page. 12OpenQL Project, 2018 量子アプリケーションの構造 量子プログラム( H|ψ> の計算) → 重ね合せ状態の複素行列計算 複素関数方程式の解法 量子アセンブリ、誤り訂正 → 量子演算子を使って 時間発展(=計算する) 例)Hadamard, π/8, CNOT 量子ビット操作 → Quantum Chip の物理的操作 例)レーザー照射, 高周波電流 ガイダンス 11/13
  13. 13. Page. 13OpenQL Project, 2018 arxiv:1708.07677 An Experimental Microarchitecture for a Superconducting Quantum Processor X.Fu … QuTech, Delft University of Technology ガイダンス 12/13
  14. 14. Page. 14OpenQL Project, 2018 量子アルゴリズムとその応用(アプリケーション) ▼アダマール・テスト ▼固有値推定(Kitaevの位相推定) ▼量子フーリエ変換(QFT)逆変換(QFT-1) ▼素因数分解(Shorアルゴリズム) ▼逆行列計算(HHLアルゴリズム) 量子アルゴリズムのポイント ・量子コンピューターに内在している線形代数構造を利用する ・巨大な行列の固有値問題が解ける(効率よく実装できるように工夫すれば) ・量子化学の第一原理計算など、量子問題として記述された問題を解く ・効率的に動作させるために、データ構造を工夫する必要がある 量子化学計算領域 暗号領域 機械学習領域 (量子サポートベクターマシン) Harrow-Hassidim-Lloyd, arXiv:0811.3171 ガイダンス 13/13 Quantum Algorithm Zoo( http://math.nist.gov/quantum/zoo/ )に 様々なアルゴリズムが紹介されています。
  15. 15. Page. 15OpenQL Project, 2018 まとめ 皆さん一緒に 量子アルゴリズムや量子アプリケーションを開発しましょう!

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