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QiitaファンミーティングLT: 量子コンピュータはじめました


この夏、転職しました

某IT企業



量子コンピュータのベンチャー (MDR社)



ということで、量子コンピュータ、実際どうなの?って話をします。



量子コンピュータは2種類ある


  • 量子アニーリング (イジングモデル) 方式と、量子ゲート方式


    • できることも、目指していることも違うのだから、区別したい



  • 混同している記事は、ネットにも商業誌にも、たくさん転がっている。



量子コンピュータは2種類ある


  • 量子アニーリング (イジングモデル) 方式


    • 組み合わせ最適化に特化している

    • 焼きなまし法を改善した方式を実機で解く



  • 量子ゲート方式


    • チューリング機械の概念を拡張したもの

    • 従来のコンピュータを発展させたもの





量子コンピュータは2種類ある


  • 量子アニーリング (イジングモデル) 方式


    • D-Wave社のマシンが有名

    • リクルート、メルカリ、デンソー、フィックスターズ、その他多くの企業が参戦



  • 量子ゲート方式


    • Google、IBM、Microsoftなど大手が覇権を争う





量子コンピュータは2種類ある


  • 量子アニーリング (イジングモデル) 方式


    • マシンが既に実用レベルに達している



  • 量子ゲート方式


    • 実用にはまだまだ遠い


      • 想像を絶するほど役に立たない

      • 今後「スパコンを超えた」というニュースが流れても、まだ慌てなくていい



    • ポテンシャルは秘めている





MDR社の立ち位置


  • 量子アニーリングと量子ゲート、両方やっている

  • 今後は量子ゲート方式に力を入れる(はず)

かなりの頻度で勉強会を開催しています

興味のある方はお越しください

https://qnn.connpass.com/



量子アニーリング方式

電子 = 世界一小さい磁石

「スピン」の向きが揃っている→強い磁石

「スピン」の向きがバラバラ→打ち消し合う

スピンの向き

→電子同士の相互作用の強さと外部磁場に依存

 (エネルギーが低くなる方向を向く)

これらを人工的に制御することで計算に生かす


QUBO: 組み合わせ最適化問題の表現方法のひとつ

N x N行列のQを与えて、ビット列$\lbrace \sigma \rbrace$を求める

$$\min_{\lbrace \sigma_1, \dots, \sigma_N \rbrace \in \lbrace 0, 1 \rbrace ^N} \sum_{i<j} Q_{ij}\sigma_i\sigma_j$$

Q: 電子同士の相互作用、σ: スピンの向き

と読み替えると、

「電子同士の相互作用がQのとき、スピンσはどっち向きか?」→実機で試すと解ける



量子ゲート方式


  • ビット: 0または1

  • 量子ビット: 0成分の波と1成分の波の重ね合わせ


    • 単に確率的なだけだと、乱数を使った計算と同じ

    • 波 = 振幅と位相



  • ゲート: AND/OR/NOTみたいなもん


    • 1量子ビットの回転と、2量子ビットの相互作用





理想的な量子ゲート方式


  • 従来のコンピュータでできること + 量子演算


    • 従来の演算は、同じ計算量で動く


      • 速くはならない!

      • 量子演算を使ったアルゴリズムに書き直すと速くなるかも





  • 素因数分解、離散対数が多項式時間で解ける

  • N回の総当りが必要だったものが$\sqrt N$回に



現実の量子ゲート方式


  • 今のマシンはノイズに弱く、誤りが多い

  • 理想的な量子計算には、量子誤り訂正が必須


    • 今のマシンは、誤り訂正には量子ビットが足りない (現状: 50 → 必要: 数千、数万)



  • 因数分解はできない。実用には遠い


    • 「シミュレーションできない」という意味で今後スパコンを超えることは予想されている





NISQ時代の幕開け


  • Noisy Intermediate-Scale Quantum


    • Preskill氏による造語

    • 誤り訂正なし、50〜数百量子ビット



  • 従来のコンピュータと、得意分野を補い合うことで量子の利点を発揮する



ハイブリッド量子演算


  • 量子化学計算などに使われる固有値問題、最小化問題を解く


    • ある量子回路が最小になるようなパラメータを、従来手法で最適化する



  • 同様の手法で組合せ最適化、機械学習なども提案されている


    • ただし、実用にはまだ遠い





まとめ


  • 量子コンピュータの会社に転職した

  • 量子アニーリング方式: 組み合わせ最適化

  • 量子ゲート方式


    • NISQ: できつつある。実用性不明

    • 誤り訂正あり: 万能量子計算。未来の話



  • がんばるぞい