Amazon Braket

量子コンピューティングの深堀と実験

Amazon Braket は、量子コンピューティングの開始をサポートするフルマネージドサービスです。Amazon Braket には、量子アルゴリズムを深堀、設計したり、シミュレーションされた量子コンピュータで量子アルゴリズムをテストしたり、さまざまな量子ハードウェア技術を選択して実行したりするための開発環境が用意されています。

量子コンピューティングでは、量子力学の法則を利用してより強力な情報処理ツールを構築することで、古典コンピュータでは解決できなかった計算問題を解決できる可能性を秘めています。このコンピューティング手法は、エネルギー貯蔵、化学工業、マテリアルサイエンス、創薬、最適化、機械学習などの分野を変革する力を持っています。しかし、それらの問題を定義して量子コンピュータのプログラムを作成するには、新たなスキルが必要です。同時に、自分が作成したアルゴリズムを実行して設計を最適化するために量子コンピューティングのハードウェアにアクセスするには、費用がかかり、利便性もよくありません。そのため、現在の最新技術を評価し、量子コンピュータの可能性を最大限引き出すために手持ちのリソースをいつ投入すべきかを決定するのが難しくなっています。

Amazon Braket を使用すれば、開発者、研究者、科学者は、量子コンピューティングを深堀、評価して実験できるため、そのような問題を解決できます。Amazon Braket では、独自の量子アルゴリズムをゼロから設計することも、あらかじめ用意された一連のアルゴリズムから目的のアルゴリズムを選択することもできます。アルゴリズムを定義したら、Amazon Braket が提供するフルマネージド型のシミュレーションサービスを使用して、作成したアルゴリズムのトラブルシューティングと検証を行うことができます。アルゴリズムを実行する準備ができたら、Rigetti のゲート方式の超伝導コンピュータ、D-Wave の量子アニーリング超伝導コンピュータ、IonQ のイオントラップコンピュータといったさまざまな量子ハードウェアから、目的のハードウェアを選択してアルゴリズムを実行できます。Amazon Braket では、古典コンピューティングと量子コンピューティングのタスクが組み合わされたハイブリッドアルゴリズムを簡単に開発できるように、古典コンピューティングのリソースを管理する機能や、低レイテンシーで量子ハードウェアに接続する機能が提供されています。Amazon Braket を使用すれば、量子コンピューティングを深堀し、その可能性を評価し、将来のための専門知識を蓄積することができます。

利点

すぐに使用を開始できる

Amazon Braket には単一の環境が用意されており、インフラストラクチャのセットアップや管理を行ったり、さまざまなベンダーとの間でアクセス権を交渉したり、さまざまな環境を組み込むためのコードを記述したりすることなく、量子アルゴリズムを設計、テスト、実行できます。Amazon Braket では、フルマネージド型の Jupyter ノートブックを利用できます。このノートブックを使用すると、想定されるアプリケーションを深堀したり、結果を可視化したり、量子アルゴリズムを最適化したりできます。また、プリインストールされた開発者用ツール、サンプルアルゴリズム、チュートリアルをノートブックから選択でき、量子コンピューティングをすばやく簡単に開始できます。

さまざまな技術を実験できる

Amazon Braket では、ゲート方式や量子アニーリング超伝導方式、イオントラップハードウェアなど、さまざまな種類の量子コンピュータを利用できます。Amazon Braket のクロスプラットフォーム開発者用ツールは使い勝手が統一されているため、複数の開発環境を学ぶ必要がありません。そのため、さまざまな量子ハードウェア技術を簡単に利用でき、自分のアプリケーションにはどの物理的実装が最適なのかを簡単に判断できます。

量子アルゴリズムと古典アルゴリズムから成るハイブリッドアルゴリズムを実行できる

Amazon Braket を使用すると、量子操作と最適化、および古典コンピューティングのインスタンスで動作する他のプロセスが組み合わされた、ハイブリッド量子アルゴリズムを簡単に実行できます。これにより、今日の量子コンピューティングシステムに内在するエラーの影響を軽減する反復システムを構築できます。Amazon Braket では、ハイブリッドアルゴリズムをフルマネージド型のジョブとして実行でき、効率を最大化してコストを削減するのに必要なリソースを編成できます。

専門家によるサポートを受けられる

Amazon Quantum Solutions Lab は、新しい量子アプリケーションの開発を加速するための共同研究プログラムです。Quantum Solutions Lab は、Amazon の量子コンピューティングの専門家、Amazon が持つ技術、コンサルティングパートナーをお客様と結び付けます。また、Quantum Solutions Lab は、お客様が量子コンピューティングの用途を見つけ、社内に専門知識を蓄積し、プログラムに基づき量子アルゴリズムを共同で設計、テストするのをサポートします。

仕組み

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学習

Amazon Braket には、ステップバイステップのガイド、チュートリアル、リソースライブラリが用意されており、量子コンピューティングをすばやく開始できます。

設計

量子アルゴリズムを設計する場合、フルマネージド型の Jupyter ノートブックを Amazon Braket のコンソールから直接使用できます。また、サンプルノートブックでは、プリインストールされた開発者用ツール、サンプルアルゴリズム、ドキュメントを利用でき、量子コンピューティングを簡単に開始できます。

テスト

古典ハードウェアで動作するシミュレータを使用できるため、コードのトラブルシューティングと設計の最適化を簡単に行うことができ、アルゴリズムの開発が加速されます。Amazon Braket では、フルマネージドサービスとしてシミュレーションが実行されます。すなわち、自動的に必要なコンピューティングインスタンスがセットアップされ、シミュレーションが実行され、その結果が Amazon S3 に公開されます。そして、処理が完了するとリソースが自動的にオフになります。

実行

お客様は、お客様が作成した量子アルゴリズムを、お客様が選択した量子ハードウェアで実行できます。料金は利用した時間に対してのみ発生します。Amazon Braket では、ハイブリッド量子アルゴリズムを実行する場合、必要な古典コンピューティングリソースが自動的にセットアップされ、古典コンピューティングタスクと量子コンピューティングタスクとの間でワーフクローが自動的に管理されます。

分析

処理が完了すると、自動的に通知がなされ、結果が Amazon S3 に保存されます。Amazon Braket では、イベントログとパフォーマンスメトリクス (完了ステータスや実行時間など) が Amazon CloudWatch に公開されます。

量子アプリケーション

利用価値の高い量子アプリケーションの設計には新しいスキルが必要で、多くの場合、これまでとは全く異なる手法で問題を解決することになります。そのような専門知識を蓄積するには時間がかかるうえ、量子技術や量子プログラミングツールを利用する必要があります。Amazon Braket を使用すれば、今日の量子コンピュータの可能性を検討して将来に備えることができます。

量子システムのシミュレーション

シミュレーションでは数多くの近似法が採用されていますが、物理や化学の分野における量子システムを古典コンピュータでシミュレーションする場合、依然として大きな課題が存在します。しかし、量子コンピュータに固有の特性、および量子力学的な状態をネイティブに操作する機能を利用すれば、分子の電子構造の記述といった重要な問題を効率的に解決できる可能性があります。量子システムのシミュレーションには、新しい材料や触媒の設計、創薬、高温超伝導の研究といったさまざまな用途が期待されます。

最適化

最適化に関する問題は、電気通信、サプライチェーンのロジスティクス、金融サービスといったさまざまな業界の至るところに存在します。一連の代替手法から最適な手法を見つける場合、可能な組み合わせの数が増えると複雑さが急激に増加するため、古典的なシステムではとても処理しきれません。量子コンピューティングを使用すれば、そのような類のさまざまな問題を解決できます。例えば、線形プログラミングアルゴリズムやモンテカルロ法を高速化することで、組み合わせ最適化の分野における問題を解決できます。ゆくゆくは、エラーが修正された量子コンピュータが登場してその高速性が証明されると思われますが、近い将来登場するデバイスを使用してヒューリスティックアルゴリズムを実行するだけでもメリットがあると思われます。

機械学習

機械学習は、データを学習してパターンを識別し、自律的な方法で意思決定を行う手段をシステムに与えてくれます。エラーが修正されたスケーラブルな量子コンピュータが登場すれば、機械学習で広く使用されているさまざまなツール (レコメンデーションシステム、分類のためのサポートベクトルマシンなど) が改善されます。また、量子コンピューティングが導入されれば、さらに豊富な学習モデルを実現できる可能性があります。通常、データセットは非常に大規模であるため、近い将来においては、量子機械学習によって得られる効果はそれほど大きくはないでしょう。しかし、早いうちに検討を行えば、将来の量子ハードウェアをより効果的に機械学習に応用するための有益なインサイトを得ることができるでしょう。

量子ハードウェア技術

ゲート方式、超伝導量子ビット

超伝導量子ビットは、極低温で動作する超伝導電気回路を使用して構築されます。Amazon Braket では、超伝導量子ビットを使用する Rigetti の量子ハードウェアを利用できます。

ゲート方式、イオントラップ

イオントラップ量子コンピュータでは、イオンと呼ばれる電荷を帯びた原子の電子状態を利用する量子ビットが導入されています。このイオンは、電磁界によって自由空間に閉じ込められて浮遊しています。Amazon Braket では、IonQ のイオントラップ量子コンピュータを利用できます。

量子アニーリング、超伝導量子ビット

量子アニーリングでは、低エネルギー構成を見つけるための物理プロセスを使用して、最適化問題の解が符号化されます。Amazon Braket では、超伝導量子ビットに基づく量子アニーリング技術を使用する D-Wave の量子コンピュータを利用できます。

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