Amazon Braket –量子コンピューティングを開始しましょう

ほぼ10年前、エイプリルフールの日にQuantum Compute Cloudについて書きました。未来が到来し、量子アルゴリズムを作成して実際の量子コンピューターで実行する機会が得られました。本日発表する内容は次のとおりです。

Amazon Braket –科学者、研究者、開発者が1か所で複数の量子ハードウェアプロバイダーのコンピューターで実験を開始できるようにする完全に管理されたサービスです。サービスの名称は、一般に量子力学的な状態を示すために使用されるブラケット表記にインスパイアされました。

AWS量子コンピューティングセンター – カリフォルニア工科大学（Caltech）に隣接する研究センター。世界をリードする量子コンピューティングの研究者とエンジニアを集めて、量子コンピューティングハードウェアとソフトウェアの開発を加速します。

Amazon Quantum Solutions Lab – AWSの顧客をAmazonの量子コンピューティングの専門家と非常に厳選されたコンサルティングパートナーのセットと結びつける新しいプログラムです。

量子コンピューティングとは

通常の（古典的な）コンピューターは、ビットのコレクションを使用して状態を表します。各ビットは明確に0または1であり、nビットがある場合、可能な状態の数は2 ^ nです。1ビットは2つの状態のいずれかになり、2ビットは4つの状態のいずれかになります。1 MiBのメモリを搭載したコンピューターには、CPUレジスタと外部ストレージを除く2つの状態（8 * 1048576）があります。これは大きな数ですが、有限であり、計算できます。

量子コンピューターは量子ビット(qubit)と呼ばれるより洗練されたデータ表現で状態を記述します。各量子ビットは状態1または0に存在できますが、1と0の重ね合わせにも存在できます。つまり、量子ビットは両方の状態を同時に占有します。このような状態は、1組の複素数を含む2次元ベクトルによって指定でき、無限の数の状態になります。各複素数は確率振幅であり、基本的に量子ビットがそれぞれ0または1である確率です。

古典的なコンピューターは、特定の時間にそれらの2 ^ n状態のうちの1つだけになることがありますが、量子コンピューターはそれらすべてを並行して占有できます。

長期間ITに携わっていたなら、ムーアの法則によって、私がこれを書いているように2テラバイトをサムドライブに保存するメモリチップを製造できるようになったことを知っています。これを可能にする物理的および化学的プロセスは驚くべきものであり、研究する価値があります。残念ながら、これらのプロセスは量子ビットを含むデバイスの製造には直接適用されません。私がこれを書いているとき、最大の量子コンピューターには約50量子ビットが含まれています。これらのコンピューターはいくつかの異なる技術で構築されていますが、共通する2つの属性があるようです。それらは希少であり、慎重に制御された物理環境で実行する必要があります。

動作方法
量子コンピューターは、状態ベクトルの振幅を操作することにより動作します。量子コンピューターをプログラムするには、必要な量子ビット数を把握し、それらを量子回路に配線して実行します。回路を構築するとき、正しい答えが最も可能性の高いものであり、残りのすべてが非常にありそうもないようにそれを設定します。古典コンピューターはブール論理を使用しないで使って構築され、OR、およびANDゲートに対し、量子コンピューターは、重ね合わせとの干渉を使用し、使用して構築されている量子論理ゲートを、新しいとエキゾチックな名前（X、Y、Z、CNOT、アダマール、トフォリなど）で構成します。

中期暗号化とデータ保護を検討する際には、これを念頭に置く必要があります。また、ポスト量子暗号について知る必要があります。現在、s2n（TLS / SSLプロトコルの実装）には、すでに量子耐性のある2つの異なるキー交換メカニズムが含まれています。新しい暗号化プロトコルが広く利用可能になり安全に使用できるようになるには約10年かかることを考えると、大規模な量子コンピューターが利用可能になる時期を先取りするのに早すぎるということはありません。

量子コンピューティングは今日主流ではありませんが、その時が来ています。これは、古典的に解決することが困難または不可能な特定の種類の問題を解決できる非常に強力なツールです。40年または50年以内に、量子コンピューターで実行されるサービスを使用して、多くのアプリケーションが部分的に機能するようになると思います。そのため、GPUまたは数学コプロセッサーのように考えるのが最善です。それらは単独では使用されませんが、ハイブリッド古典/量子ソリューションの重要な部分になります。

私たちの目標は、いくつかの適切なユースケースを探しているあなたに、いくつかのテストや実験を行う開始する量子コンピュータについて十分に知っているようにすることです。私たちは、現実にしっかりと根ざした強固な基盤を構築し、あなたと協力して、量子の力を活用した未来に移行したいと考えています。

Amazon Braket

この新しいサービスは、量子ビットと量子回路を実際に体験できるように設計されています。シミュレーション環境で回路を構築およびテストしてから、実際の量子コンピューターで実行できます。Amazon Braketは完全に管理されたAWSサービスで、各レベルでセキュリティと暗号化が組み込まれています。

ノートブックスタイルのインターフェースを介してAmazon Braketにアクセスできます。

PythonコードはAmazon Braket SDKを利用します。1行のコードで量子回路を作成できます（これは、私の同僚によると、「量子ビット0と量子ビット1が最大にもつれた (エンタングルした) ベル状態」とのこと）。

bell = Circuit().h(0).cnot(0, 1)

そして別のものでそれを実行します：

print(device.run(bell, s3_folder).result().measurement_counts())

古典計算機の力を借りたシミュレーション環境に加えて、Amazon Braketがアクセスを提供するD-Wave、IonQ、およびRigettiの量子コンピュータがあります。これらのデバイスにはいくつかの共通点があります：最先端の技術であり、構築と実行に費用がかかり、通常、電気のない状態に保つ必要がある非常に極端で特殊な環境（過冷却または真空に近い）で動作します。まとめると、ほとんどの組織が量子コンピューターを所有することは決してなく、クラウドベースのオンデマンドモデルの方が適していると考えています。プロダクション規模の量子コンピューターが最初はクラウドのみのテクノロジーである場合もあります。

実際の量子コンピューターは芸術作品であり、いくつかのクールな写真を共有できることを嬉しく思います。D-Wave 2000Qは次のとおりです。

The Rigetti 16Q Aspen-4：

そして、IonQリニアイオントラップ：

AWS量子コンピューティングセンター

前述したように、量子コンピューティングはまだ非常に若い分野です。私たちが知らないことがたくさんあり、科学的および技術的なブレークスルーの余地がたくさんあります。

量子コンピューティングのAWSセンターを設立することを発表できてうれしく思います。カリフォルニア工科大学のキャンパスに隣接して位置する私たちの目標は、開発を加速するために世界のトップの才能を結集することです。私たちは、いつか量子コンピューターを量産できるようになるかもしれない技術を研究すると同時に、量子コンピューターで最もよく解かれるアプリケーションの特定にも取り組んでいます。これらは両方とも長期的な課題であり、今後10年または20年にわたって進捗を監視することを楽しみにしています。

Amazon Quantum Solutions Lab

新しい興味深い技術に対して、あなたが学び、スキルを高め、量子コンピューティングを使用する計画を立てる役に立ちたいと考えています。このラボは、あなたが私たち自身の専門知識を活用することが可能となり、当社のコンサルティングパートナーと働くこともできます。私たちの目標は、これらの実用的な用途を見つけるためにあなたと協力し、資格のある量子開発者の独自の「ベンチ」を構築するのを助けることです。

また、Quantum Solutions Labで研究とコラボレーションの機会を活用することもできます。

量子コンピューティングのリソース

以下は、役に立つと思われる参考資料の一部です。これのいくつかは少し頭を使いますが、少しでも理解できるなら、非常に興味深いマテリアルです：

The Quantum Computing Party Hasn’t Even Started Yet  フィールドの非常に穏やかな概要。

Wikipedia – Quantum Computing  たくさんのリンクと図を含む良い要約。

How Quantum Computers Break Encryption | Shor’s Algorithm Explained 役立つビデオ。8： 03からに注目です。

Quantum Computation and Quantum Information主題に関する決定的な教科書。

Quantum Computing for the Determined　The Qubitから始まる22の短い説明ビデオのシリーズ。

Quantum Computing for the Very Curious　前述のビデオの著者による長文の記事。

Quantum Computing Expert Explains One Concept in 5 Levels of Difficulty　5人の専門家による異なる説明。

Quantum Supremacy Using a Programmable Supercomputing Processor　特定の種類の問題に対して量子コンピューターが従来のコンピューターよりも優れていることを示す大きなマイルストーンで、とても重要な結果です。Scott Aaronsonの Supreme Quantum Supremacy FAQも必ず読んでください。

This is What a 50-qubit Quantum Computer Looks Like  IBMの50量子ビットコンピューターの素晴らしい写真エッセイ。

Shtetl-Optimized – Scott Aaronson教授は、量子コンピューティングについて非常に長い間研究、執筆や、ブログでの投稿を行ってきました。

– ジェフ;