AWS における量子コンピューティングの取り組み / AWS Quantum MMDS

大阪大学 数理・データ科学教育研究センター (MMDS) AI・データ利活用研究会 第86回

針原 佳貴
アマゾン ウェブ サービス ジャパン合同会社 シニアスタートアップ生成AI・量子ソリューションアーキテクト
大阪大学 量子情報・量子生命研究センター（QIQB）招へい准教授

AWS では、Center for Quantum Computing における量子コンピューティングの研究開発、マネージドサービス Amazon Braket による量子ハードウェアへのアクセスおよび量子・古典ハイブリッド計算環境の提供、Amazon Quantum Solutions Lab によるお客様のユースケース探索などに取り組んでいます。本講演では、これらの概要と、Amazon Braket を使った量子コンピューティングの応用事例について紹介します。
https://www-mmds.sigmath.es.osaka-u.ac.jp/structure/activity/ai_data.php?id=88

Transcript

1. © 2024, Amazon Web Services, Inc. or its affiliates. All rights reserved. AWS における 量⼦コンピューティングの取り組み ⼤ 阪 ⼤ 学 数 理 ・ デ ー タ 科 学 教 育 研 究 セ ン タ ー ( M M D S ) A I ・ デ ー タ 利 活 ⽤ 研 究 会 第 8 6 回 針原 佳貴 アマゾン ウェブ サービス ジャパン合同会社 シニア スタートアップ ⽣成AI・量⼦ ソリューションアーキテクト ⼤阪⼤学 量⼦情報・量⼦⽣命研究センター (QIQB) 招へい准教授
2. © 2024, Amazon Web Services, Inc. or its affiliates. All rights reserved. 針原佳貴, Ph.D. AWS Japan シニア スタートアップ ⽣成 AI・量⼦ ソリューションアーキテクト ⼤阪⼤学 量⼦情報・量⼦⽣命研究センター (QIQB) 招へい准教授 略歴 2013年 ⼤阪⼤学 理学部 数学科卒業 2018年 東京⼤学 ⼤学院 情報理⼯学系研究科 博⼠課程修了 2018年 AWS Japan 新卒⼊社 ⽣成 AI スタートアップ企業と量⼦コンピューティングを担当 趣味 ドラム (⼤阪⼤学 軽⾳楽部 ROCK 出⾝) 好きな AWS サービス: Amazon SageMaker, Amazon Braket X @_hariby
3. © 2024, Amazon Web Services, Inc. or its affiliates. All rights reserved. Quantum Technologies at AWS AWS における量⼦技術の取り組み Amazon Braket Fully managed quantum computing service フルマネージドの 量⼦コンピューティングサービス Amazon Quantum Solutions Lab State-of-the-art quantum and classical solutions 最先端の量⼦・古典ソリューション AWS Partner Network Community of quantum computing partners 量⼦コンピューティングのパートナー AWS Center for Quantum Computing Research and development for compute technologies 量⼦コンピューティングの 研究開発
4. © 2024, Amazon Web Services, Inc. or its affiliates. All rights reserved. AWS Center for Quantum Computing • 量⼦コンピューティングの研究開発に対する⻑期的な投資 • カリフォルニア⼯科⼤学 (Caltech) キャンパスに位置し 量⼦ハードウェア・アルゴリズムの研究開発に取り組む – Oskar Painter (Director of Quantum Hardware) – Fernando Brandão (Director of Applied Science) 7 https://aws.amazon.com/jp/blogs/quantum-computing/announcing-the-opening-of-the-aws-center-for-quantum-computing/ AWS 量⼦プロセッサの マイクロ波パッケージ 量⼦ハードウェア エンジニアと希釈冷凍機 カリフォルニア州 Pasadena の Caltech キャンパスに位置
5. © 2024, Amazon Web Services, Inc. or its affiliates. All rights reserved. AWS Center for Quantum Computing § Oskar Painter, Fernando Brandão 以外にも、 Amazon Scholars, Amazon Visiting Academics として 量⼦コンピューティング研究者を招聘 – Alexey Gorshkov (University of Maryland) – Gil Refael (Caltech) – Amir Safavi-Naeimi (Stanford) 8 John Preskill (Caltech) David Schuster (Stanford) James Whitfield (Dartmouth) Liang Jiang (University of Chicago)
6. © 2024, Amazon Web Services, Inc. or its affiliates. All rights reserved. 誤り耐性量⼦コンピュータ (FTQC) 構築に向けた “concatenated cat codes” [PRX Quantum 3, 010329 (2022), Blog] AWS Center for Quantum Computing, Caltech IQIM, イエール大、シカゴ大、スタンフォード 超伝導回路とフォノン共振器をカップリングさせた、 安定化された量⼦ビットのアーキテクチャを分析。 Active + Passive 量⼦誤り訂正 (QEC) を組み合わせ、 より少ない量⼦ビットによる誤り訂正符号を提案。 9 Passive QEC (Cat qubit encoding)
7. © 2024, Amazon Web Services, Inc. or its affiliates. All rights reserved. • マスター⽅程式: • フォノニック結晶に reservoir をカップリングさせて、2-phonon 相互作⽤で 安定化させれば cat state の bit-flip エラーは起こりにくくなる • 典型的には オーダー 10 Driven-dissipative stabilization
8. © 2024, Amazon Web Services, Inc. or its affiliates. All rights reserved. Quantum Error Correction (QEC) • Active QEC • 量⼦ビットを冗⻑化し、論理量⼦ビットを表現 • エラーレートを⼗分低く抑えられるが、 その分オーバーヘッドが発⽣ • bit-flip エラーと phase-flip エラーの両⽅を同時に抑えよ うとすると、多くの物理量⼦ビットを消費 • Passive QEC • エラーに対して安定な状態を論理量⼦ビットとして採⽤ • 本質的にエラーが起こりづらい状況をつくる • 例: Schrödinger cat qubit や Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP) qubit などの Bosonic qubits (ボソン量⼦ビット) 11 Active + Passive QEC の組み合わせでより少ない量⼦ビットによる誤り訂正符号を提案
9. © 2024, Amazon Web Services, Inc. or its affiliates. All rights reserved. Erasure qubit (消去量⼦ビット) 検出・訂正が⽐較的容易な「消去エラー」により、 エラー訂正のオーバーヘッドを⼤幅に削減できる可能性。 • 2つのトランズモン (超伝導回路素⼦) を使⽤し 1つの「デュアルレール」量⼦ビットを構成。 • 光⼦の漏れを検出可能なエラーとして扱える。 実験結果: エラーの96%以上が消去エラー、 残り4%未満が従来の「ビットフリップ」や 「位相フリップ」エラー 第3の補助量⼦ビットを使⽤し、 量⼦状態を乱すことなく消去エラーを⾼精度で検出できることを実証。 12 [PhysRevX.13.041022, PhysRevX.14.011051]
10. © 2024, Amazon Web Services, Inc. or its affiliates. All rights reserved. AWS が量⼦チップ Ocelot (オセロット) を発表 https://www.aboutamazon.jp/news/aws/quantum-computing-aws-ocelot-chip • AWS が発表した量子チップ「Ocelot」は、Bosonic quantum error correction (ボソン量子誤り訂正) に基づく拡張可能でハードウェア効率の高い 量子コンピューティングアーキテクチャの初実現 • 「Cat qubit (猫量子ビット)」技術により従来手法と比較して量子誤り訂正 オーバーヘッドを最大90%削減し実用的な量子コンピューティングへの道を加速 • このブレイクスルーで実証した「どのビルディングブロックをスケールするか」 という選択が、商業的価値のある量子コンピュータ実現に向けた鍵だと考える 13
11. © 2024, Amazon Web Services, Inc. or its affiliates. All rights reserved. サーベイ: “End-to-End” 量⼦アルゴリズム • 量⼦コンピュータが実⽤的な問題を解くために 「充分」な計算リソースはどれくらいか︖ • アルゴリズム実⾏に必要な量⼦ビット数や量⼦操作 (ゲート) 数を ⾒積もるための “end-to-end” なリソース推定 14 [arXiv:2310.03011] https://aws.amazon.com/blogs/quantum-computing/constructing-end-to-end-quantum-algorithm/
12. © 2024, Amazon Web Services, Inc. or its affiliates. All rights reserved. Amazon Braket 15
13. © 2024, Amazon Web Services, Inc. or its affiliates. All rights reserved. 2019年 Amazon Braket 発表当時 事前契約無し、 オンデマンドの 従量課⾦ デバイスの選択肢 16 Introducing Amazon Braket Amazon Braket provides secure, on-demand access to different quantum computing technologies
14. © 2024, Amazon Web Services, Inc. or its affiliates. All rights reserved. IQM Garnet launched • 20-qubit superconducting quantum processor • square lattice topology with tunable couplers, • median 1-qubit gate fidelity of 99.92%, • median 2-qubit gate fidelity of 99.51%, • Quantum Volume of 32 • In Europe (Stockholm) Region. 19
15. © 2024, Amazon Web Services, Inc. or its affiliates. All rights reserved. QuEra: Analog Hamiltonian Simulation (AHS) アナログハミルトニアンシミュレーション 20 • プログラマブルな量⼦デバイスを⽤いて、興味のある量⼦系を実験的に模擬し、そのふるまいを調べる • QuEra Aquila 256量⼦ビット AHS • Rb (ルビジウム) 原⼦をレーザー励起させた Rydberg (リュードベリ) 原⼦を⽤いた AHS • 量⼦スピン液体 [Semeghini, et al., Science (2021), arXiv:2104.04119, AWS Quantum Technologies Blog] • 最⼤独⽴集合問題 (Maximum Independent Set; MIS) など組合せ最適化問題への応⽤も Physics of creating spin-pairs in a frustrated lattice. QuEra Computing with Rydberg atom arrays
16. © 2024, Amazon Web Services, Inc. or its affiliates. All rights reserved. Amazon Braket で利⽤できる量⼦コンピュータ 21 Analog Hamiltonian Simulator 中性原⼦ Aquila (256 qubits) イオントラップ Aria (25 qubits) Forte (36 qubits) 超伝導 Ankaa (82 qubits) 超伝導 Garnet (20 qubits) Gate-based
17. © 2024, Amazon Web Services, Inc. or its affiliates. All rights reserved. Customer Feedback: Availability Window Expansion お客様フィードバックにより⽇本時間のカバー率向上 23 QPU Availability in UTC Availability in JST (日本時間) IonQ Aria, Forte Weekdays, 12:00 - 3:00 平日, 21:00 - 12:00 Rigetti Ankaa Everyday, 00:00 - 23:59 毎日, 00:00 – 23:59 IQM Garnet Monday, 08:00 - 10:00 Tuesday, 08:00 - 10:00 Wednesday, 08:00 - 10:00 Thursday, 13:00 - 15:00 Friday, 13:00 - 15:00 月曜日, 17:00 - 19:00 火曜日, 17:00 - 19:00 水曜日, 17:00 - 19:00 木曜日, 22:00 - 00:00 (翌日) 金曜日, 22:00 - 00:00 (翌日) QuEra Aquila Monday, 01:00 - 23:59 Tuesday, 00:00 - 12:00 Wednesday, 00:00 - 12:00, 18:00 - 23:59 Thursday, 00:00 - 12:00 Friday, 00:00 - 23:59 Saturday, 00:00 - 23:59 Sunday, 00:00 - 12:00 月曜日, 10:00 - 08:59 (翌日) 火曜日, 09:00 - 21:00 水曜日, 09:00 - 21:00, 03:00 - 08:59 (翌日) 木曜日, 09:00 - 21:00 金曜日, 09:00 - 08:59 (翌日) 土曜日, 09:00 - 08:59 (翌日) 日曜日, 09:00 - 20:59
18. © 2024, Amazon Web Services, Inc. or its affiliates. All rights reserved. Amazon Braket の料⾦ QPU オンデマンド Braket Direct (予約) 量⼦回路シミュレータ 最⼩3秒から、計算時間に応じたミリ秒単位の課⾦ (Local Simulator は追加料⾦なし) • SV1/DM1 simulator $ 0.075 / min ($ 4.5 / hr) • TN1 simulator $ 0.275 / min ($ 16.5 / hr) 古典リソース Amazon Braket Hybrid Jobs のインスタンス、Notebook インスタンスは別途課⾦ 24 Hardware Provider QPU family Per-task price Per-shot price IonQ Forte $0.3 $0.08 IonQ Aria $0.3 $0.03 IQM Garnet $0.3 $0.00145 QuEra Aquila $0.3 $0.01 Rigetti Ankaa $0.3 $0.0009 Hardware Provider QPU family Per-hour price IonQ Frote $7,000 IonQ Aria $7,000 IQM Garnet $3,000 QuEra Aquila $2,500
19. © 2024, Amazon Web Services, Inc. or its affiliates. All rights reserved. Amazon Braket での量⼦タスク実⾏ ユーザー Amazon CloudWatch (モニタリング) ハードウェア (QPU) AWS Cloud Amazon Braket Amazon Braket Console Braket SDK Local IDE Managed Jupyter notebooks Amazon S3 (結果の保存) AWS Identity and Access Management (権限管理) AWS Key Management Service (データ保護) Amazon EventBridge (通知) シミュレータ
20. © 2024, Amazon Web Services, Inc. or its affiliates. All rights reserved. Braket Hybrid Jobs でのアルゴリズム実⾏ AWS Cloud Amazon Braket Amazon Braket Console Braket SDK Local IDE Managed Jupyter notebooks シミュレータ Hybrid Job コンテナ アルゴリズム On-demand アルゴリズムを実⾏し、 終了後はリソースを解放 Monitoring カスタムメトリクスの ライブモニタリング High performance QPU 優先アクセスと、 スループット最適化 ユーザー ハードウェア (QPU)
21. © 2024, Amazon Web Services, Inc. or its affiliates. All rights reserved. Amazon Braket Direct Accelerate quantum research by experimenting with diverse hardware 多様なハードウェアを使った実験により 量⼦研究を加速 Dedicated access 専有アクセス Direct engagement with scientists 専⾨家からのアドバイス Innovation sandbox 最新のイノベーション
22. © 2024, Amazon Web Services, Inc. or its affiliates. All rights reserved. Experimental capabilities through Braket Direct QuEra Local detuning and tall/tight geometries
23. © 2024, Amazon Web Services, Inc. or its affiliates. All rights reserved. Amazon Braket Python SDK 31 量⼦プログラムの設計・開発 • 量⼦プログラムの記述 (回路・AHS) • Braket Pulse による低レベル制御 • シミュレータによるローカルテスト Braket API の操作 • タスク・ジョブの提出 • 実⾏状況の確認・モニタリング
24. © 2024, Amazon Web Services, Inc. or its affiliates. All rights reserved. Amazon Braket の技術スタックと開発者体験 32 ハードウェア サービス API Quantum Tasks Hybrid Jobs 回路および 低レベル制御 Amazon Braket SDK AutoQASM* braket.jl* 量⼦プログラム仕様 (中間表現) OpenQASM3.0 (+OpenPulse) アルゴリズムと アプリケーション スタートアップや ソフトウェア開発者 (… and many more) *experimental AHS IR Amazon Braket Braket Pulse
25. © 2024, Amazon Web Services, Inc. or its affiliates. All rights reserved. Device-native and Pulse-level Programming デバイス依存の操作とパルス制御 • Inspect device topologies and properties デバイスのトポロジーと特性 • Program verbatim circuits with native gates ネイティブゲートによる回路記述 • Pulse-level programming with Amazon Braket Pulse Braket Pulse によるパルスレベルのプログラミング 35
26. © 2024, Amazon Web Services, Inc. or its affiliates. All rights reserved. AutoQASM: Python-native quantum programming interface • AutoQASM is an experimental module of the Braket SDK Braket SDK の実験的モジュール • Provides an expressive python interface for low-level quantum programming 低レイヤー量⼦プログラミング体験 Available on GitHub: 36 Python native Builds on the AutoGraph library from TensorFlow to provide an expressive quantum programming interface in pure Python. OpenQASM compatible Builds on open-source OpenQASM libraries to generate interoperable OpenQASM 3.0 and OpenPulse intermediate programs.
27. © 2024, Amazon Web Services, Inc. or its affiliates. All rights reserved. Amazon Braket の利⽤事例 37
28. © 2024, Amazon Web Services, Inc. or its affiliates. All rights reserved. Quantum Customers 量⼦コンピュータのお客様 38 Quantum Startups/ISV 量⼦スタートアップ Enterprise エンタープライズ企業 University and Research Institute ⼤学・研究機関
29. © 2024, Amazon Web Services, Inc. or its affiliates. All rights reserved. AWS Partners and Startups with software solutions integrated with Amazon Braket Amazon Braket 上でサービス構築する AWS パートナー
30. © 2024, Amazon Web Services, Inc. or its affiliates. All rights reserved. 41 © 2023, Amazon Web Services, Inc. or its Affiliates 中外製薬（本社：東京）は、抗体エンジニアリ ング技術をはじめとする独自の創薬技術基盤を 強みとする、研究開発型の製薬企業です。 ロシュ・グループの重要なメンバーであるとと もに、東京証券取引所プライム市場の上場企業 として、自主独立経営の下、アンメットメディ カルニーズを満たす革新的な医薬品の創製に取 り組んでいます。 • ペプチド創薬研究を加速する ために、標的タンパク質に対 するペプチド分子のドッキン グ解析を検討していた。 • 先行研究では、量子コン ピューティング技術を用いて ペプチド分子単体での安定配 座を推定されているものの、 標的タンパク質に対する結合 様式までは予測できていな かった。 • 現状では、ベンチマークが存 在しないため、ベンチマーク となる古典計算による解の計 算も必要であった。 • AWS Professional Servicesは量 子の法則に従った新しい解法 を開発した。 • この解法がスケールの小さい 対象に対して実行できること を確認した。一方で、スケー ルの大きい対象に対して拡張 することは困難であることが 示された。 • CPによる解法では研究対象と したすべての問題を1分未満の 実行時間で解くことができ、 ビジネスに関連する問題を解 決するための可能性を見出す ことができた。 ペプチドドッキングシミュレーションに対する量子に従った最適化解法の PoC検証をAWS Professional Servicesが支援 中外製薬株式会社 製薬 日本 企業 https://www.chugai-pharm.co.jp/ • AWS Professional Servicesは、 ペプチドの結合様式を推定す るため、標的タンパク質との 相互作用や立体障害が加味さ れた問題の定式化を行った。 • また、問題に対して制約プロ グラミング(CP)による古典的な 解法と量子の法則に従った最 適化による解法を開発した。 • 開発した解法を用いて計算機 実験を行い、両解法の性能を 比較した。 - 荒川 晶彦, 中外製薬株式会社, 研究本部、創薬化学研究部 弊社では中分子創薬研究に取り組んでおります。量子コンピュータに実装可能な解法によるペプ チド分子のドッキングシミュレーションに関してAWS Professional Servicesを利用してPoC検証 を実施しました。古典的な解法と比較しながら検証することで、両解法のScopeとLimitationを 理解することができました。今回のPoC検証を踏まえて、古典的な解法から研究を開始し創薬研 究での本アプローチの実用性を検証しようとしています。 ペプチドドッキングシミュレーションに対する量⼦に従った 最適化解法の PoC 検証を Amazon Quantum Solutions Lab が⽀援
31. © 2024, Amazon Web Services, Inc. or its affiliates. All rights reserved. Quantum Machine Learning with Amazon Braket Amazon Braket での量⼦機械学習 45 Our research focuses on quantum AI using AWS cloud services 16 We explore quantum AI using AWS cloud services such as Amazon Elastic Compute Cloud (EC2) F1 instances and Amazon Braket (QPU) A quantum software development kit (SDK) for reproducing our quantum experiments is available at https://github.com/scsk-quantum/phiqonnect Amazon EC2 F1 Industry- related data Amazon Braket Cross Platform API Quantum Circuit Endpoint Topic 1 Topic 2 Quantum AI simulator using FPGA Quantum AI on IonQ Harmony SDK Amazon-braket-sdk SCSK leveraged Amazon EC2 F1 (FPGA) instances and Amazon Braket IonQ Harmony QPU to explore quantum AI. [Dr. Teppei Suzuki, Q2B23 Tokyo] Denso worked on the research in the intersection of AI and quantum, aiming automation of science. [Dr. Tadashi Kadowaki, Q2B23 Tokyo]
32. © 2024, Amazon Web Services, Inc. or its affiliates. All rights reserved. ⼤阪⼤学と AWS は、国⽴研究開発法⼈科学技術振興機構が 公募する「共創の場形成⽀援プログラム」(COI-NEXT) に 採択されたプログラムの実施にあたり覚書を締結し、 量⼦ソフトウェア共創プラットフォームが拓く持続可能な 未来社会の実現に向けた取り組みを共同で進めています。 様々な量⼦コンピュータ技術を⼿軽に使える Amazon Braket と、AWS からの⼿厚い技術⽀援は、 量⼦⼈材育成を進める上で必要不可⽋な存在だと実感して います。 北川 勝浩 教授 ⼤阪⼤学 量⼦情報・量⼦⽣命研究センター センター⻑ 48
33. © 2024, Amazon Web Services, Inc. or its affiliates. All rights reserved. Research group launches Japan’s third quantum computer at Osaka University ⼤阪⼤学に設置した超伝導量⼦コンピュータ 国産３号機の クラウドサービスを開始 50 Serverless Architecture with AWS Lambda [Satoyuki Tsukano, et al., QSRH 2024] テクチャを採用 せずに済む 保 計 標準的なクラウド開発手法を用いる URL 例 標準的な技術を利用 Iを採用 OpenAPIフォーマットで記述
34. © 2024, Amazon Web Services, Inc. or its affiliates. All rights reserved. Fujitsu hybrid quantum computing platform also using AWS Compute Services 富⼠通の国産2号機クラウドも AWS 利⽤で実装 51 AWS Lambda Serverless Compute
35. © 2024, Amazon Web Services, Inc. or its affiliates. All rights reserved. Jij leveraged Arm-based AWS Graviton for Simulated Quantum Annealing (SQA) AWS Graviton (Arm) を使った SQA 高速化 52
36. © 2024, Amazon Web Services, Inc. or its affiliates. All rights reserved. Virtual Fugaku on AWS Graviton3(E) with Arm SVE クラウド上の「バーチャル富岳」でスパコンアプリ開発 53 [Prof. Satoshi Matsuoka, Supercomputing 2023] © 2023, Amazon Web Services, Inc. or its affiliates. All rights reserved. © 2023, Amazon Web Services, Inc. or its affiliates. All rights reserved. January 2023 MoU Between AWS & R-CCS Expanding the Scientific Platforms of Fugaku to the Cloud High ISA (Arm+SVE) & Performance Compatibility ‘Cloudifying Fugaku” “Cloud APIs on Fugaku” Fugaku as part of cloud infra e.g. Support S3 protocol (done) ‘Fugaku-fying the Cloud’ “Virtual Fugaku” Implementing Fugaku Applications and Software Environment on AWS Virtualizing the Domain Specific Platform to utilize both E.g. Companies develop methods using massive Fugaku Resource, production run on AWS, allow immediate propagation of latest research results onto production AWS Graviton3/3E (2022) Arm+SVE CPU Amazon EC2 C7g/C7gn instance Fujitsu-Riken A64FX HPC (2018) Arm+SVE CPU Fugaku/FX1000 Riken R-CCS SC
37. © 2024, Amazon Web Services, Inc. or its affiliates. All rights reserved. Amazon Braket Digital Badge デジタルバッジの獲得 Leverage Amazon Quantum Solutions Lab and AWS Partners to explore industry use cases Amazon Quantum Solutions Lab や AWS パートナーをご紹介し、 ユースケースの探索 Access to Hardware Provider Science Expertise via Braket Direct Braket Direct 経由で ハードウェアプロバイダーの サイエンティストとコラボ、 IonQ Forte, QuEra local detuning など最先端のデバイス・機能を試す Quantum focused executive briefings and Braket hands-on workshops 量⼦ GTM チームによる エグゼクティブミーティングの ご案内と、Amazon Braket ハンズオンワークショップ提供 How can you get ready 次のステップ
38. © 2024, Amazon Web Services, Inc. or its affiliates. All rights reserved. Thank you! Yoshitaka Haribara, Ph.D. X: @_hariby 55