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気になる方のための
量子コンピュータの「いま」と「これから」
2020/11/07(土)
JJUG CCC Fall 2020
束野 仁政
1
@snuffkin
自己紹介 束野 仁政(つかの さとゆき)
経歴
• 学生時代は数学専攻(物理ではない)
• ソフトウェア・エンジニア
⇒東京大学先端科学技術研究センターで
量子コンピュータ・プログラマ
量子コンピュータの面白さを広める活動
• 量子コンピュータの同人誌
「高校数学からはじめる量子コンピュータ」シリーズ1~2巻
 紙版 https://www.melonbooks.co.jp/circle/index.php?circle_id=44909
 電子版 https://snuffkin.booth.pm/
 書泉グランデさんでも扱っています
「AWSではじめる量子コンピュータ」
 電子版 https://techbookfest.org/product/5359150202617856
• 量子コンピュータの入門記事を連載
 CQ出版社Interface誌 2019年8月号~11月号「動かしながら始める量子コンピュータ」
• 勉強会での発表や、OSS活動等
2
@snuffkin
※この発表は個人の見解であり、所属組織の公式見解ではありません
目次
1. 量子コンピュータの盛り上がり
2. 量子コンピュータの特徴(理想)
3. 量子コンピュータの現状
4. 量子コンピュータのよくある誤解
5. 量子コンピュータの今後
6. オススメのコンテンツ
7. Javaで量子プログラミング
量子コンピュータが計算する仕組みは今回の範囲外です
この資料は2020年10月に作成しました
3
用語について
現在一般的に利用しているコンピュータを
量子コンピュータと区別するため、
「古典コンピュータ」と呼びます。
量子コンピュータと区別するために「古典」と
付けているだけで、悪い意味はありません。
(「クラシック音楽」に悪い意味はないですよね)
また、量子コンピュータで扱う情報の単位を
「量子ビット」と呼びます。
4
5
量子コンピュータの盛り上がり
2019年後半~2020年の量子コンピュータ関連ニュースから
量子コンピュータの盛り上がり
6
Googleの量子超越性の発表を受け
Bitcoinが暴落
量子コンピュータによる
暗号解読を不安視
https://coinpost.jp/?p=114188
スーパーコンピュータで1万年かかる
問題をGoogleの量子コンピュータが
200秒で解いたと発表
~量子超越性~
https://ai.googleblog.com/2019/10/quantum-supremacy-using-programmable.html
量子コンピュータの盛り上がり
7
AWSが量子コンピュータを実行できる
クラウドサービスを発表
~Amazon Braket~
2020年8月から一般利用開始
https://aws.amazon.com/jp/blogs/news/amazon-braket-get-started-with-quantum-computing/
Microsoftが量子コンピュータを実行
できるクラウドサービスを発表
~Azure Quantum~
2020年10月現在、private preview
https://cloudblogs.microsoft.com/quantum/2019/11/04/announcing-microsoft-azure-quantum/
量子コンピュータの盛り上がり
8
Googleが量子コンピュータを実行で
きるクラウドサービスを発表
2021年にGCPで公開予定
https://www.youtube.com/watch?v=crpQexwT2HU
東京大学とIBMが
Japan–IBM Quantum Partnershipを発表
2021年にIBMの量子コンピュータを
本郷キャンパスに設置予定
https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/ja/articles/z0801_00005.html
量子コンピュータの盛り上がり
9
巨大IT企業、スタートアップ、
研究機関を中心に
量子コンピュータの研究開発や
クラウドサービス化が加速している
10
量子コンピュータの特徴(理想)
量子コンピュータの特徴(理想)
11
なぜ量子コンピュータが
注目されているのか
量子コンピュータの特徴(理想)
12
【ムーアの法則】
2年で計算能力が2倍
指数関数的に成長
ITの成長に貢献
Julben
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量子コンピュータの特徴(理想)
13
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https://www.cnet.com/news/moores-law-is-dead-nvidias-ceo-jensen-huang-says-at-ces-2019/
量子コンピュータの特徴(理想)
14
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指数関数的な計算能力成長への期待
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量子コンピュータの特徴(理想)
15
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量子コンピュータの特徴(理想)
16
主な課題
1. 量子コンピュータは環境からの影響を受けやすく、
量子ビットが壊れたり、演算結果を間違えやすい
2. 正確な量子ビットを長時間維持できない
対応
• 環境の影響から量子ビットを守る
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量子コンピュータの特徴(理想)
17
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18
注目度が高い分野
• ソフトウェア(アルゴリズムなど)
• ハードウェア
それ以外にも
量子情報技術には多くの分野がある
右の分類でも、物理の視点が強く
ソフトウェア工学などが不足
総合的な発展が必要
• fundamental concepts in quantum information
• quantum computation and simulation
• quantum software: algorithms, protocols, and code
• quantum hardware: materials, engineering and technologies
• quantum error correction
• quantum gates
• quantum machine learning and intelligence
• quantum communication and cryptography
• quantum networks, quantum repeaters, and quantum memories
• quantum control
• quantum metrology and sensing
• quantum architectures and implementations
• quantum thermodynamics
• quantum effects in biological systems
• quantum algorithms for chemical calculations
• materials for quantum technologies
• hybrid quantum systems and interconnects
• relativistic quantum information
ある論文誌(PRX Quantum)のスコープ(18分野)
量子コンピュータの特徴(理想)
19https://www.jst.go.jp/moonshot/koubo/202002/pdf/presentation_g6.pdf
幅広い分野の
人材が必要
量子コンピュータのインパクト
20
量子コンピュータの現状
量子コンピュータの現状
21
実際のところ、どうなの?
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量子コンピュータの現状
22
スーパーコンピュータで1万年かかる
問題をGoogleの量子コンピュータが
200秒で解いたと発表
~量子超越性~
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現在の量子コンピュータが
古典コンピュータ(従来のコンピュータ)より
実測で速いのはこの問題だけ
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量子コンピュータの現状
23
現在使われている暗号には
まったく歯が立ちません
数年後でも解読できないでしょう
Googleの量子超越性の発表を受け
Bitcoinが暴落
量子コンピュータによる
暗号解読を不安視
https://coinpost.jp/?p=114188
量子コンピュータの現状
24
主な課題の状況
1. 量子コンピュータは環境からの影響を受けやすく、
量子ビットが壊れたり、演算結果を間違えやすい
2量子ビットの演算(例:XOR)は1%くらいの確率で間違える
正解率99%でも、
10回実行すれば正解率90%、
100回実行すれば37%、
1000回実行すれば0.04%
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%8A%A0%E7%AE%97%E5%99%A8
例:
6ビットの全加算器には27回の2ビット演算が必要
→正解率76%
量子コンピュータの現状
25
主な課題の状況
2. 正確な量子ビットを長時間維持できない
維持できる時間は1ミリ秒未満
(超伝導方式の量子コンピュータの場合)
量子コンピュータの現状
26
現在の量子コンピュータは
ライト兄弟の初飛行に
たとえられるような段階
Scott’s Supreme Quantum Supremacy FAQ!
https://www.scottaaronson.com/blog/?p=4317
実用的な古典コンピュータと
くらべると計算能力はまだまだ
27
量子コンピュータのよくある誤解
量子コンピュータのよくある誤解
28
Q.量子コンピュータで暗号が解読されたら、通信が丸裸
になるのでは?
A.
現在の量子コンピュータは、実用的な暗号を解読する能力は
ありません。
理想の量子コンピュータが実用化すると
httpsで利用している楕円曲線暗号などは解読できます。
しかし、10年くらいでは実用化しないと思います。
また、「耐量子暗号」という量子コンピュータでも
解読が難しいと考えられる暗号が開発されています。
現在、耐量子暗号の標準化が進められており、
数年後には耐量子暗号への置き換えが始まります。
量子コンピュータのよくある誤解
29
Q.量子コンピュータのOSってどうなっているの?
A.
現在の量子コンピュータにはOSはありません。
「量子コンピュータ」と呼んでいますが、
GPUのようなアクセラレータのイメージが近いです。
古典コンピュータから制御しないと動作しません。
現在の量子コンピュータには
メモリやハードディスクもありません。
量子コンピュータのよくある誤解
30
Q.スーパーコンピュータより速い量子コンピュータがで
きたと聞いたけれど、スーパーコンピュータは必要なく
なるの?
A.
いいえ。理想の量子コンピュータが完成しても、
スーパーコンピュータは必要です。
スーパーコンピュータで1万年かかる問題を
Googleの量子コンピュータが200秒で解きましたが、
量子コンピュータが得意な問題に限定した話です。
量子コンピュータはすべての計算を
高速化するわけではありません。
それぞれが得意な領域で活躍し、共存するはずです。
量子コンピュータのよくある誤解
31
Q.量子コンピュータが業務に適用されて高速化さ
れたというニュースを見かけるようになりました。
もう実用化しているのでは。
A.
古典コンピュータには計算能力が及ばない
量子コンピュータでもよければ
実用化していると言えるのかもしれません。
そのニュースをよく読むと、
「古典コンピュータの最速値を越えた」ではなく、
「既存業務より速くなった」と書いてあるはずです。
また、既存業務のアルゴリズムは
明記されていないと思います。→計算量ではない利点
32
量子コンピュータの今後
量子コンピュータの今後
33
• 3年
• ERATO 5年
• Q-LEAP 10年
• 量子技術イノベーション戦略 20年
• ムーンショット型研究開発制度 30年
量子コンピュータ関連の主な国内研究プロジェクト
理想的な量子コンピュータの実現には十年単位の時間が必要
量子コンピュータの今後
34
【ムーンショット型研究開発制度の目標】
2050年までに、経済・産業・安全保障を飛躍的に発展させる
誤り耐性型汎用量子コンピュータを実現
100万~1000万
量子ビット
https://www.jst.go.jp/moonshot/koubo/202002/pdf/presentation_g6.pdf
そうは言っても
何十年も待てないので、
誤り訂正できない量子コ
ンピュータを使った応用
も研究されている(NISQ)
量子コンピュータの今後
35
•量子コンピュータは
得意な問題だけ高速に解ける
•実現後もメインは古典コンピュータ
•GPUのように特定用途で利用される
古典コンピュータと共存
36
量子コンピュータを学ぶための
オススメのコンテンツ
オススメのコンテンツ
37
「驚異の量子コンピュータ」
藤井啓祐 著(2019年)
「量子コンピュータが本当にわかる!」
武田俊太郎 著(2020年)
量子コンピュータの仕組みや歴史などを一般向けに解説
数式は使わず、概念や研究現場の雰囲気が分かる
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38
「みんなの量子コンピュータ」
Chris Bernhardt 著
湊雄一郎,中田真秀 監修・翻訳 (2020年)
量子コンピュータの入門書
「高校数学からはじめる量子コンピュータ」
1-2巻
束野仁政 著(2019-2020年)
高校数学くらいの数式を使い、ちゃんと理解する
オススメのコンテンツ
39
入門書と専門書をつなぐ教科書
「量子コンピューティング
基本アルゴリズムから量子機械学習まで」
嶋田義皓 著(2020年)※11月9日発売
情報処理学会 出版委員会 監修
IT分野のプログラマやエンジニアが
特に知っておくべき概念をできる限り網羅
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40
量子プログラミング
「Qiskit Textbook」(英語)
https://qiskit.org/textbook/what-is-quantum.html
日本語の解説動画・資料(順次日本語化)
https://www.youtube.com/watch?v=01JZfji-Mbw
「Microsoft Quantum ドキュメント」
(日本語・英語が混在)
https://docs.microsoft.com/ja-jp/quantum/
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量子プログラミング
Blueqat社が公開しているチュートリアル
(日本語)
https://blueqat.com/
「Quantum Native Dojo」(日本語)
https://dojo.qulacs.org/
42
Javaで量子プログラミング
Javaで量子プログラミング
43
量子プログラミングのライブラリは
Pythonが主流ですが、
1200万人のJava開発者が
量子コンピューティング革命に
参加できたら面白いですよね!
Javaで量子プログラミング
44
「Quantum Computing in Action」
Johan Vos 著(2021年発売予定)
Manning Publicationsの書籍なので、
執筆中の電子版を読める(ほぼ完成している)
https://www.manning.com/books/quantum-computing-in-action
書籍のソースコードはGitHubで公開されている
https://github.com/johanvos/quantumjava
Javaで量子プログラミング
45
Javaの量子コンピュータ・シミュレータ
「strange」
https://github.com/redfx-quantum/strange
BSD 3-clause ライセンス
JavaFX製のビジュアルエディタ
「StrangeFX」
https://github.com/redfx-quantum/strangefx
BSD 3-clause ライセンス
Javaで量子プログラミング
46
現在の量子プログラミングは、
量子回路の素子に対する低レイヤのプログラミング
Program p = new Program(2);
Gate xGate1 = new X(0);
Step step1 = new Step();
step1.addGate(xGate1);
p.addStep(step1);
Gate hGate2 = new Hadamard(0);
Gate xGate2 = new X(1);
Step step2 = new Step();
step2.addGates(hGate2, xGate2);
p.addStep(step2);
SimpleQuantumExecutionEnvironment sqee = new
SimpleQuantumExecutionEnvironment(); Result res = sqee.runProgram(p);
Qubit[] qubits = res.getQubits();
Arrays.asList(qubits).forEach(q -> System.out.println("qubit with probability on 1 =
"+q.getProbability()+", measured it gives "+ q.measure()));
量子回路
47
まとめ
48
•理想的な量子コンピュータの実現には
十年単位の時間が必要
•古典コンピュータと量子コンピュータは共存
•量子コンピュータで
アプリケーションを作ってみよう!
理想的な量子コンピュータの実現には
幅広い人材が必要です!

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