国産量子コンピュータ・阪大実機紹介

国産量子コンピュータ・阪大実機紹介 2024/04/24(水) 量子ソフトウェア勉強会の取組紹介 大阪大学 量子情報・量子生命研究センター 特任研究員 束野 仁政(つかの さとゆき) 1

自己紹介 つかの さとゆき @snuffkin ◆量子コンピュータ・エンジニア • システムソフトウェアの研究・開発・運用 ◆経歴 https://snuffkin.github.io/ • 2016年 IBMのクラウド公開をきっかけに、量子コンピュータを学びはじめる • 2019年 東京大学先端科学技術研究センター 学術専門職員など • 2022年 大阪大学量子情報・量子生命研究センター(QIQB) 特任研究員 ➢ 量子コンピュータ・クラウド 量子技術の ➢ 量子ソフトウェア勉強会の講師、ハンズオン・サポート 研究所 ◆量子コンピュータのオープンソース活動 • 量子星占い(2019～) • 量子コンピュータの実機を使ったアプリケーションを 開発し、公開・運用中 • 基本的に毎日量子コンピュータを使ってます • 量子コンピュータ・クラウド基盤gaqqie(2021～) • 情報処理推進機構(IPA)の未踏ターゲット事業に採択 (2021年度) 量子星占い https://www.quantumcomputer.tokyo/horoscope.html 2

• https://snuffkin.github.io/
• https://www.quantumcomputer.tokyo/horoscope.html

自己紹介 ◆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 • 「AWSではじめる量子コンピュータ」 ◆量子コンピュータの入門記事 • CQ出版社Interface誌 • エンジニアスタイル(Web媒体) ◆「ラズパイ電子工作&光の実験で理解する量子コンピュータ」 (CQ出版社・共著) ◆「量子コンピュータの頭の中」(技術評論社) • ビジネス書でも専門書でもなく、難しい量子力学は無し • 計算したりプログラミングしたり手を動かして理解する • 384ページ。図が180個くらい。 量子コンピュータの入門段階で つまづかないようにしたい 3

QIQBの活動(量子コンピュータクラウド関連) 実用化はまだ先の話です ◆国産超伝導量子コンピュータ初号機を公開(2023年3月) • 理化学研究所、大阪大学等の共同研究の成果。研究者向けに公開 • クラウドサービスのソフトウェア周りは大阪大学が主に開発 提供：理化学研究所 https://www.riken.jp/pr/news/2023/20230324_1/ 4

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QIQBの活動(量子コンピュータクラウド関連) ◆国産超伝導量子コンピュータ3号機を公開(2023年12月) • 大阪大学等の共同研究の成果。国産部品のテストベッド。水平分業 • 量子ソフトウェアコンソーシアムのグループワークでの使用を開始 https://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2023/20231220_1 5

• https://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2023/20231220_1

QIQBの活動(量子コンピュータクラウド関連) ◆日本産業技術大賞 内閣総理大臣賞を受賞(2024年4月) • 理化学研究所、富士通、大阪大学等が表彰 • 過去にH-Iロケット、瀬戸大橋、Suica、スカイツリー、富岳等が受賞 https://www.osaka-u.ac.jp/ja/news/topics/2024/04/09001 6

• https://www.osaka-u.ac.jp/ja/news/topics/2024/04/09001

量子コンピュータ・クラウドシステムの紹介 7

量子コンピュータ・クラウドのシステム開発 • 実験装置(実験室の中のみで利用可能)から、 システムへ(実験室の外から利用可能なシステム) • チップとアルゴリズムだけでは、コンピュータは動かない ➢従来コンピュータはCPUとアルゴリズム以外にも構成要素がたくさんある ➢バス、メモリ、CPU、入出力、、、 • 実用的な量子コンピュータは、チップがスケールするだけでなく、 システムがスケールする必要がある ➢富岳の面積はサッカーコート半分くらい ➢実用的な量子コンピュータも、それなりに大きくなるのでは • 量子コンピュータ・クラウドのシステム開発は学際分野 ➢人材が少ない。QIQBではずっと求人中 • 今は小さいが、将来的に大きくなっていく分野 ➢課題だらけで、解決していくのが楽しいです 8

阪大量子コンピュータサービス (2023年12月) フロントエンド層 クラウド層 プログラミング バックエンド層 マイクロ波信号 マイクロ波信号 波形生成 送受信 計算処理 エッジサーバ measurement tool 量子チップ ouqu-tp qmt server ユーザ認証 ジョブ管理 スケジューリング トランスパイル クラウドサーバ ユーザ 制御装置 QURI Parts riqu 凡 例 インターネット通信 ローカル通信 9

阪大量子コンピュータサービス (2023年12月) まだ標準規格が無い 従来技術が活躍 サーバーレス フロントエンド層 クラウド層 バックエンド層 マイクロ波の 波形生成 量子ライブラリはPythonが多い OSSにするのが一般的 マイクロ波信号 マイクロ波信号 波形生成 送受信 計算処理 エッジサーバ measurement tool 量子チップ ouqu-tp qmt server ユーザ認証 ジョブ管理 スケジューリング トランスパイル クラウドサーバ プログラミング ユーザ QURI Parts riqu 制御装置 超伝導量子回路の 先端はほぼ絶対零度 GUIでも量子回路 を作れる OpenQASM3(デファクト?) 凡 →IBM,AWSなどが策定 例 量子チップ固有の命令に変換 インターネット通信 量子回路の最適化, etc. ローカル通信 マイクロ波の 送受信, FPGA 10

紹介記事 Qiitaにもある程度書いてあります https://qiita.com/snuffkin/items/62c657e4d665c986d42f より詳しく知りたい方は、量子ソフトウェア勉強会にご参加ください 11

• https://qiita.com/snuffkin/items/62c657e4d665c986d42f

量子コンピュータのシミュレータ(Web)と実機デモ Qulacs Simulator https://qulacs-gui.github.io/qulacs-simulator/ • Webサイトに ログインせず利用可能 • ドラッグ&ドロップで 量子回路を作成 • 結果の可視化 • 実機を実行できる • シミュレータと実機の 結果を同時に見れる • Observableに対する 実行結果を可視化 12

• https://qulacs-gui.github.io/qulacs-simulator/

量子ソフトウェア勉強会での実機利用 13

量子ソフトウェア勉強会での実機利用 量子ソフトウェア勉強会の前半(春～夏)は講義と演習 後半(秋～冬)はグループに分かれて特定のテーマを進める 2023年度のテーマ • 量子インスパイアアルゴリズムの勉強と実装 • 量子ライブラリの調査と比較 • フーリエ級数展開に基づく確率分布埋め込み量子状態の生成 • 阪大実機を用いた量子計算デモンストレーション • AWSで利用可能な実機のノイズ推定 • 効果の高いトランスパイラ・パスの調査 14

量子ソフトウェア勉強会での実機利用 • 実機を使ったエラー緩和(error mitigation)の実験 • 量子状態を|0⟩から|1⟩までの軌跡を20点に分割し、 ブロッホ球上を回転させながら遷移 ー no error ● Mitigation ●α=1 ●α=4 ● α = 10 15

量子ソフトウェア勉強会での実機利用 • 0 , 1 , |2⟩の3準位を利用したトフォリゲートの実現 |1> X+ X- |0> |0> |2> |1> |2> arXiv:2109.00558 より 忠実度 = 80.8% 実験で得られた混合行列 理想的なToffoliの混合行列 16

量子ソフトウェア勉強会での実機利用 • パルス制御による量子アニーリング • 照射するパルスをだんだん弱めて、( 00 + 11 )/ 2に遷移 00 と 11 が0.5ずつになるのが理想的 17

実機公開イベント 18

量子コンピュータ実機公開イベント@豊中キャンパス 5/3(金・祝) いちょう祭り (大阪大学・大学祭) 実機見学会 10時～16時 ホームカミングデイ講演会 https://ou2024hcd.alumni.osaka-u.ac.jp/ https://www.osaka-u.ac.jp/ja/event/2024/05/10746 19

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