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

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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

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

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

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

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)

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)

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

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

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]

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

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/

rights reserved. Amazon Braket 15

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

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

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

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

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

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

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

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)

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

rights reserved. Experimental capabilities through Braket Direct QuEra Local detuning and tall/tight geometries

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

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

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

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.

rights reserved. Amazon Braket の利⽤事例 37

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

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

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

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]

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

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

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

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

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

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

rights reserved. Thank you! Yoshitaka Haribara, Ph.D. X: @_hariby 55

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