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量子コンピュータソフトウェア開発の最前線
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湊雄一郎
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自己紹介
自己紹介
湊雄一郎（みなとゆういちろう）
blueqat株式会社 代表取締役
2004年 東京大学工学部建築学科卒業（構造計算力学）
2005年 株式会社隈研吾建築都市設計事務所勤務
2008年 MDR株式会社設立〜現在に至る
2020年 blueqat株式会社に名称変更
2015年 総務省異能vation最終採択
2017年 内閣府 ImPACT山本プロジェクト、プログラムマネージャー補佐
2019年 文科省さきがけ量子情報領域アドバイザー
2020年 文科省さきがけ量子情報領域アドバイザー3
いちばんやさしい量子コンピューターの教本 人気講師が教える世界が注目する最新テクノロジー 「いちばんやさしい教本」シリーズ
単行本（ソフトカバー）: 192ページ出版社: インプレス (2019/5/20)
とりあえず量子コンピュータの概要を掴んで、計算原理などを概念的に理解し、簡単なコードまで書いてみるという入門・初心者編。
https://www.amazon.co.jp/%E3%81%84%E3%81%A1%E3%81%B0%E3%82%93%E3%82%84%E3%81%95%E3%81%97%E3%81%84%E9%87%8F%E5%AD%90%E3%82%B3%E3%83%B3%E3%83%94%E3%83%A5%E3%83%BC%E3%82%BF%E3%83%BC%E3%81%AE%E6%95%99%E6%9C%AC-%E4%BA%BA%E6%B0%97%E8%AC%9B%E5%B8%AB%E3%81%8C%E6%95%99%E3%81%88%E3%82%8B%E4%B8%96%E7%95%8C%E3%81%8C%E6%B3%A8%E7%9B%AE%E3%81%99%E3%82%8B%E6%9C%80%E6%96%B0%E3%83%86%E3%82%AF%E3%83%8E%E3%83%AD%E3%82%B8%E3%83%BC-%E3%80%8C%E3%81%84%E3%81%A1%E3%81%B0%E3%82%93%E3%82%84%E3%81%95%E3%81%97%E3%81%84%E6%95%99%E6%9C%AC%E3%80%8D%E3%82%B7%E3%83%AA%E3%83%BC%E3%82%BA-%E6%B9%8A%E9%9B%84%E4%B8%80%E9%83%8E/dp/4295006076/ref=tmm_pap_swatch_0?_encoding=UTF8&qid=1576046996&sr=8-6
みんなの量子コンピュータ
単行本（ソフトカバー）: 256ページ出版社: 翔泳社 (2020/1/24)
大学１年生など大学の教養課程の教科書むけ。線形代数を導入して、数学から量子コンピュータをもう一歩理解する。
https://www.amazon.co.jp/%E3%81%BF%E3%82%93%E3%81%AA%E3%81%AE%E9%87%8F%E5%AD%90%E3%82%B3%E3%83%B3%E3%83%94%E3%83%A5%E3%83%BC%E3%82%BF-Chris-Bernhard/dp/4798163570/ref=sr_1_4?__mk_ja_JP=%E3%82%AB%E3%82%BF%E3%82%AB%E3%83%8A&keywords=%E9%87%8F%E5%AD%90%E3%82%B3%E3%83%B3%E3%83%94%E3%83%A5%E3%83%BC%E3%82%BF&qid=1576046996&sr=8-4
SCIENTIFIC REPORTS紙の2019年物理学分野TOP100で8位獲得
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● Andriyan Bayu Suksmono & ● Yuichiro Minato
https://www.nature.com/articles/s41598-019-50473-w
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会社紹介
企業名 blueqat株式会社
所在地 東京都文京区本郷2-40-14
設立 2008年
資本金 1億3,000万円（資本準備金94,986,050円）
事業内容 量子コンピュータクラウドサービス、量子コンピュータチップ設計開発、 機械学習ソリューション
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企業概要
ハード
ライブラリSDK
ミドル・OSクラウド
blueqat cloud
分野特化アプリケーションフレームワーク
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D-Wave 光量子HoneywellamazonbraketIBM
無料のオープンソースの量子コンピュータソフトウェア開発キットと有料クラウドシステム
ビジネスモデル
アプリ
機械学習フレームワーク
一般利用
blueqat SDK
Rigetti IonQD-Wave
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独自量子ビットを開発 International Conference
[1] D. Saida, H. Ariyoshi and Y. Yamanashi, "Principle Verification of the Superconducting Flux Qubit Cell Toward the Quantum Sampling Approach for Training of Deep Neural Networks" The 31th International Symposium on Superconductivity (2018).
[2] D. Saida and Y. Yamanashi, "Investigation of Basic Characteristics of Superconducting Flux Qubit for Quantum Machine Learning", 20th Anniversary of Superconducting Qubits (2019).
[3] D. Saida, N. Watase and Y. Yamanashi, “Theoretical and Experimental Characterization of Fundamental Device Elements in Quantum Machine Learning”, International Superconductive Electronics Conference (2019).
ダウンロードは急速に成長中
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コミュニティ育成と同時に利用者は急増中
https://pepy.tech/project/blueqatダウンロード
Blueqat
https://qnn.connpass.com/登録数
Connpass勉強会
https://join.slack.com/t/blueqat/shared_invite/enQtNzc3NjgxNjA5OTA2LTNmNjg0YzAzNGUxYmYwNDIxNWFlZGVkODI0MTE2NDMwM2I3OTRjNGExZjMxZWFmZDI3ZTRlNDU3NTcwZDUyOTk
登録数
Slackオンラインコミュニティ
75,000 2,800 2,300
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ニュース
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2019のニュース：Googleが量子超越を達成従来のスパコンで1万年かかる計算を200秒で
https://www.nikkei.com/article/DGXMZO51384140V21C19A0000000/
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新しい世界の量子コンピュータの流れ誰でも量子コンピュータが使える時代に。２、３年はイオントラップマシンと機械学習が流行。
https://jp.techcrunch.com/2019/12/03/2019-12-02-aws-launches-braket-its-quantum-computing-service/
https://www.geekwire.com/2019/aws-launches-amazon-braket-service-part-broad-quantum-computing-initiative/
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概要
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ビット（粒子）
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1
ビット（波） ビット（波） ビット（粒子）
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粒子としてのビットと波を任意に切り替えて計算のできる新しい計算機。
量子コンピュータとは？
新しい原理の計算機
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従来のビットの取りうる値の範囲を 01以外に拡張した新しい原理の計算機
３次元
https://newatlas.com/ibm-next-quantum-processors/49590/
超電導量子コンピュータハードウェア
温度制御
冷凍機
コンプレッサーなど
後ろに大量の周辺機器
QAOA
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量子コンピュータの変遷
NISQアルゴリズム材料・金融
汎用量子アルゴリズム
量子アニーリング製造・自動車
新しいアルゴリズム
1985-量子アルゴリズム 1.0
2015-量子アルゴリズム 2.0
2020-量子アルゴリズム 3.0
ハードなし
2012-D-wave
Google / IBM Honeywell / IonQ
光連続量計算
PsiQ / Xanadu
量子位相推定
量子振幅増幅 QAE
QML
VQE
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ハードウェア開発は量から質へ
5量子ビット 28量子ビット
2016年原理検証
2018年量子ビット数開発競争
2020実用的量子コンピュータ
72量子ビット
ビジネス応用の探索が続く、企業に使いやすい量子コンピュータの開発にシフト
2017年ごろは50量子ビットを越えれば既存計算機を超えると考えられていた。
量子コンピュータ
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IBM Q より
0と1の両方が同時に存在する「量子ビット」を組み合わせた演算回路「量子ゲート」を使って計算する。
図 4-9. 2 ビットのグローバーのアルゴリズム（ |11〉の探索用）
横軸が時間
https://www.ibm.com/developerworks/jp/cloud/library/cl-quantum-computing/index.html
アダマールゲート・アダマール変換
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シミュレータと実機を使い分けて開発
量子コンピュータは問題サイズが小さい場合シミュレートできる。 アプリケーション開発はPCを使った開発が主体。
量子コンピュータシミュレータ
問題設定（小規模）
ハイパーパラメータの調整を経て繰り返し実行
量子コンピュータ実機（クラウド経由）
量子コンピュータシミュレータ
問題設定（大規模）
ハイパーパラメータの調整を経て繰り返し実行
量子コンピュータ実機（クラウド経由）
問題分割
アプリケーション
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最適化計算と量子化学計算は「利用フェーズ」、機械学習は「研究フェーズ」に2020年は様々なツールやハードを使って比べる年に。
機械学習
組合せ最適化 量子化学計算
暗号関連
取り組みやすい。企業向けの使いやすいツールがたくさん出る。
シミュレーション
計算の入力誤り訂正付きの論理ゲート構成
QPU
理想的な量子コンピュータと対比して、現在の量子ゲート方式のコンピュータはエラーが回避できないため、
NISQとよばれる中規模エラーありの量子コンピュータと呼ばれ、従来想定されていた計算方法と異なる計算
が主流になっている。
現在の量子コンピュータはアルゴリズムを作ったあとにデジタル化されずにアナログのまま計算
誤り訂正が実現できていないため計算を間違える
計算結果の出力
NISQと汎用量子コンピュータ
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2020年は実応用はハイブリッド計算が主流量子古典ハイブリッド計算。量子と既存計算機を直列で繋ぐ
量子計算機 既存計算機
短い計算
短い計算
短い計算
最適化
収束するまで繰り返し
パラメータ
パラメータ
パラメータ
How a quantum computer could break 2048-bit RSA encryption in 8 hoursA new study shows that quantum technology will catch up with today’s encryption standards much sooner than expected. That should worry anybody who needs to store data securely for 25 years or so.
https://www.technologyreview.com/s/613596/how-a-quantum-computer-could-break-2048-bit-rsa-encryption-in-8-hours/?utm_campaign=site_visitor.unpaid.engagement&utm_source=twitter&utm_medium=social_share&utm_content=2019-06-12
暗号解読アプリケーション自体は現状の技術で作成可能
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対策は耐量子コンピュータ暗号など
import numpy as np
# parametersn = 230 #次元数q = 2053 #法とする素数A = np.random.randint(q, size=(n, n)) #nとqから生成される格子の基底alpha = 8.0 #誤差に関するパラメータ
def randint_from_gaussian(size): sigma = alpha/np.sqrt(2*np.pi) x = np.random.normal(0, sigma, size) #標準正規乱数 return np.rint(x)
print('n = ',n,', q = ',q,', alpha = ',alpha,'\nA = ',A,'\n\n')
すでに対策や製品が出始めている段階。量子コンピュータに耐
性のある暗号。
https://qiita.com/YuichiroMinato/items/0aa3e599a649a2b91f4e
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マーケット
１、NISQ時代：量子と既存コンピュータのハイブリッドの近年タイプ市場規模：2500-5500億円(20-50億ドル)程度 / 100-300量子ビット程度 / 2020年-
２、量子超越時代：量子コンピュータがスパコンを超えて性能を伸ばす中間期市場規模：2兆7000-5兆5000億円(250-500億ドル)程度 / 1000-10000量子ビット程度 / 2024年-
３、汎用マシン時代：量子コンピュータが完成し市場を爆発的に拡大する時期市場規模：50兆-93兆円(4500-8500億ドル)程度 / 10000量子ビット以上 2050年前後
29Where Will Quantum Computers Create Value—and When? BCG Reporthttps://www.bcg.com/publications/2019/quantum-computers-create-value-when.aspx
今後市場規模が爆発的な伸びになると予想される
段階的な技術発展とともにアプリケーション市場規模が爆発的に増大。
全世界で汎用型量子ゲート方式の NISQ時代を制する競争 を繰り広げられている。
制約条件を結合し、QUBOマトリックスを作成
QUBOマトリックスをイジングマトリックスに変換
金融モデルを構築する
制約条件を複数用意する
統計学
数学
制約条件パラメータを決定
イジングマトリックスをハードウェアイジングに変換
イジングパラメータを実機に投入し、結果を回収
量子力学ハードウェア
再度QUBOハミルトニアンに代入し答えを得る。
統計学、数学、量子力学、ハードウェア構造などの知識が必要で手間のかかる複雑な工程
量子コンピュータアプリケーション開発は複雑
2020年は量子コンピュータ利用元年
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戦略意図
開始/発表時期
提供実機
Source: Nikkei
PF追求型• 複数社の製品を扱い、いち早くプラット
フォームを構築することで IBM陣営に対抗
2019年12月発表
• D-Waveシステムズ• IonQ• Rigetti
垂直統合型• ハードウェアからソフトウェアまで、垂直
統合型の業界構築を目指し勝者総取を目指す
2016年開始
• IBM Q
PF追求型→垂直統合型• 他社ハードウェアも取り入れて早期のエ
コシステム構築を狙い、自社ハードを後々追加
2019年11月発表
• Microsoft• Ion Q• Quantum circuits (QCI)
クラウド市場シェアは業界首位で、最大の顧客基盤を保有• IaaS, PaaSシェア：30-35%
市場シェアは業界 4位で、法人顧客に強み• IaaS, PaaSシェア：5-10%• 当分は法人が主要顧客
市場シェアは業界 2位。Office 365まで含めるとAWSを超越• IaaS, PaaSシェア：15-20%
ハードウェア
業界随一の品揃え• ただしゲート方式は IBMに一歩及ばず、
さらに細かい擦り合わせも困難か
最高性能のハードウェアを所有• ハード・ソフト間のフィードバックを効か
せた、シームレスなサービス提供が可能
ユニークなハードウェアを所有• トポロジカル型は業界唯一• ただし、完成・商用化は未定
Differen
tiator
copyright 荒井 慧悟
各産業のトッププレーヤ達が量子コンピュータの活用に取組中発展が期待される産業別の応用例
32Source: “The next decade in quantum computing,” BCG
情報、コマースInformation & Commerce
機械・電機Machine & Electronics
化学・製薬Chemistry & Pharma
金融Finance
エネルギー・環境Energy & Environment
マーケティングの高精度化、セキュリティの向上• 検索• 広告のビッドシステム• オンライン・プロダクトマーケティング• サイバーセキュリティ(ソフトウェア認証/検証)
材料開発・製造・ロジスティックスの最適化• ロジスティックス：プランニング、ルーティング• 自動車：交通シミュレーション、E-ステーション、自動運転• 半導体：製造、チップレイアウト最適化• 航空：Fault分析、製造最適化、R&D（強化ポリマー探索等）• 材料：太陽パネ、定置型・車載蓄電池、OLED等の最適材料開発
創薬・新材料開発と医療画像診断を効率化• 触媒/酵素デザイン• バイオ・インフォマティクス (ゲノミクス、プロテオミクス 等)• 画像診断（より高精度なMRI診断 等）• 新素材開発 (電池、有機化合物 等)
ポートフォリオ管理や市場モデリングの高精度化• トレーディング戦略• ポートフォリオ最適化• リスク分析• Fraud 検出• 市場シミュレーション、モデリング
エネルギー生成・利用の大規模最適化 • ネットワークデザイン• エネルギー配分• Oil well optimization• 気象予報、気候変動シミュレーション
産業 応用例 取り組み企業例
copyright 荒井 慧悟
外資金融は有価証券売買向けアルゴリズムの研究に着手 Barclays／ J.P. Morgan Chase
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有価証券のOTC売買
Source: “Quantum Algorithms for Mixed Binary Optimization applied to Transaction Settlement”; “Option pricing using quantum computers”
戦略
基礎
研究
多数トレーダー間の有価証券取引の決済を量子アルゴリズムで最適化
オプション価格計算
参入は決して早いとは言えないが、量子が適用可能な問題を戦略的に特定し、基礎研究への投資を加速• 2018年12月 IBM Q Networkに参加• CTOのリー・ブレイン氏（コンピュータサイエンス博士号取得者）が量子コンピュータ活用
に積極的• 同行は2種類の課題に集中することを決定
• 資産管理のポートフォリオ最適化• 資本市場における取引完了プロセス強化
IBM Qをフル活用し、量子アルゴリズムでオプション価格の計算を実現• 2019年 IBMとの共著で Proof-of-conceptの論文を発表• ただし、現時点ではアプリケーションは不透明との見解
“If we had [a commercial quantum computer] today, what would we do?" "The answer today is not very clear.“
Nikitas Stamatopoulos, a co-author of the price-options paper
オプション価格決定に量子アルゴリズムを適用
copyright 荒井 慧悟
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バッテリー開発、自動運転への応用
Source: Corporate websites
自動車業界を取り巻く急速な内外的変化• 内的要因：より厳しい収益性向上のためのグローバルでの調達・製造・ロ
ジの最適化• 外的要因：自動運転、 EV化への劇的な業界変化
量子コンピュータの可能性を早期から模索• IBM、Googleと提携• バッテリーセルの新規材料開発、劣化防止のための化学シミュレーション
や自動運転への応用を急ぐ
戦略
取組
イメ
ージ
自動車企業もCASE/MaaS時代を勝ち抜くため量子の利用を開始 Daimler AG／Volkswagen group
Members of the quantum computer team from various Daimler units who are devoting part of their working time to this topic
自動車業界を取り巻く急速な内外的変化• 内的要因：より厳しい収益性向上のためのグローバルでの調達・製造・ロジの最適化• 外的要因：自動運転、 EV化への劇的な業界変化
アニーリングに注力し、巡回セールスマン問題に取り組む• D-Waveと主に提携• 北京、バルセロナ、リスボンで交通最適化のパイロットプログラムを実施
渋滞解消への応用
copyright 荒井 慧悟
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今後の展開
Quantum Convolutional Neural NetworksIris Cong,1 Soonwon Choi,1, 2, ∗ and Mikhail D. Lukin11Department of Physics, Harvard University, Cambridge, Massachusetts 02138, USA2Department of Physics, University of California, Berkeley, CA 94720, USAhttps://arxiv.org/pdf/1810.03787.pdf
https://qiita.com/YuichiroMinato/items/82be7970ee4f374ddb5d
量子コンピュータとディープラーニングの融合
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Tensornetwork量子技術を古典コンピュータに応用。深層学習の大幅な高速化
https://blog.tensorflow.org/2020/02/speeding-up-neural-networks-using-tensornetwork-in-keras.html
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これまで考えられていなかったような活用方法量子コンピュータの発展はこれから
https://arxiv.org/pdf/2005.03023.pdf
引用：quimb
量子超越性一歩手前のイオントラップ型でIBM/Googleの座を狙う Honeywell
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企業概要 最近の動向および企業戦略の分析
社名 Honeywell
設立 1906年
代表Darius Admaczyk (CEO),Tony Uttley (head of quantum solutions division)
本社 Charlotte, North Carolina, US
資本金 US$41.802b (total)
売上 n.a.
従業員数 ~100 (量子部門)1)
事業内容
イオントラップ型ハードウェアの設計・製造• 製薬、化学、金融、航空＆防衛、オ
イル＆ガス、データセンター、製造、通信の各業界の顧客をターゲット
• Microsoft Azure上での展開
Source: 1) Corporate website; 2) industryweek; 3) zdnet
10年前よりイオントラップ型の開発に着手2)
“We have a very unique technology that we believe is as good or better than anything that’s out there today,”
CEO Darius Adamczyk, May 14, 2019
量子超越性の一歩手前。商用化は2020年初頭3)
"We are on the verge of classically impractical,““Working with customers in a beta release by the end of this year, with a more public unveiling in early 2020”
Darius Uttley, Nov 4, 2019
copyright 荒井 慧悟
フォトニック型のハードウェアで最大級の資金調達を実現 PsiQuantum
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企業概要 最近の動向および企業戦略の分析
社名 PsiQuantum
設立 2013年
代表Jeremy O’Brien (Professor of Univ. Bristol)
本社 UK/ Palo Alto, Ca, US
調達額 US$230m
売上 n.a.
従業員数 ~30 (?)
事業内容
Univ. Bristolで発明されたシリコン・フォトニック型のハードウェアの設計・製造• CMOS silicon fabで製造可• 5年以内に商用化を目指す
Source: Telegraph; PsiQ Presentation
独特な量子プロセッサを強みにVCのPlayground GlobalとA&E Investmentsから$230m(業界で最大)の調達を達成• Playground GlobalはMr Rubinが創立• A&E InvestmentsはAndrew Tan(元Google)が創立
Want et al., Science, 2018
CEO Jeremy O’Brien
戦略
ハー
ドウ
ェア
・イ
メー
ジ
copyright 荒井 慧悟
省エネ
持続可能社会を実現するための技術となりうる
ESG投資
ESG（環境・社会・ガバナンス）企業活動は永続的なリスクの低下を求めている
企業活動の多くの活動が不意なリスクによって落ち込む危険をはらんでいる。多くの活動を ESGの項目に合
わせて評価を行い、企業活動の利益の永続化に貢献する。
環境Environment
社会Social
ガバナンスGovernance
まとめ
・2019年は節目の年、これから予測不能の未来
・2020年は量子コンピュータ利用元年
・現在のコンピュータの知識を導入した深層学習などの実装が進む
・イオントラップ型などの新しいマシンが登場
・三年ごとにトレンドが変わる感じ
これまでの想定されていた量子コンピュータと大きく異なる用途が、2020年から実機に
搭載され始めているため、これから自分たちで作っていく感じが強くなってきた。
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本資料のお問い合わせ先
企業名：blueqat（ブルーキャット）株式会社
所在地：東京都文京区本郷2-40-14
事業内容：量子コンピュータ開発
問合せ先：[email protected]
ウェブサイト：https://blueqat.com/?hl=ja
