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量子コンピューティング

驚くべきパワーを持つ今日のスーパーコンピューターであっても、従来のシステムでは対処できない複雑な問題があります。この旅は始まって間もないですが、量子コンピューティングは、組織・機関が直面する複雑な国防、科学、技術、商業的問題を解決するポテンシャルを持っていることです。量子コンピューティングは、技術における次のフロンティアであり、世界で最も困難な挑戦的問題の幾つかに対してまったく新しいアプローチを提供します。

量子コンピューターは、高速処理を実現するために、現実の基本的構成 – すなわち、量子力学の奇妙で反直感的な世界 – を直接活用します。量子コンピューターは、従来のコンピューターがやっている情報を0または1で保存するのではなく、0 または1あるいはその両方を同時に取りうる量子ビットを使用しています。量子もつれと量子トンネル効果に沿う、この量子の重ね合わせが、多数のビットの組み合わせを同時に取り上げ処理することを量子コンピューターに可能にさせています。

D-Wave 2000Q 量子コンピューター

D-Wave 2000Q

D-Wave社のフラッグシップ製品であるD-Wave 2000Q™ システムは、離散最適化、サンプリング、機械学習、サイバー・セキュリティ等の問題を解決するための新しい方法を使用可能とし且つ加速するため、量子力学を活用しています。2000 量子ビットを備えたD-Wave 2000Q システムは、世界で最も進歩した量子コンピューターです。

D-Waveシステムは、量子アニーリングと呼ばれるプロセスを使用して問題の解を探します。ここで、量子アニーリングは古典的コンピューティングとは根本的に異なります。現実の量子システムは、自然の傾向を利用して低エネルギー状態を見つけるという造りになっています。例えば、最適化問題を山や谷の景観になぞらえると、それぞれの座標は可能な解を表し、そこでの標高はそのエネルギーを表します。最良の解は、景観の中の最も深い谷の最も低い地点に対応する最も低いエネルギーを持つところとなります。

量子効果がコンピュテーションにおいて役割を果たすためには、量子処理ユニット(quantum processing unit :QPU)は極端な分離環境を必要とします。閉サイクル希釈冷凍機および遮蔽層が、外部磁場、振動、およびあらゆる形態のRF信号から隔離された絶対0度に近い温度の内部高真空環境を作り出しています。

伝統的なスーパーコンピューターが大量の電力を消費し大量の熱を発生させるのに対し、D-Wave システムが消費する電力は25kW 以下で、そのほとんどは冷却装置とフロントエンド・サーバーの作動のために使われます。

ソフトウェア・ツール

古典的コンピューティングの世界がそうであるように、量子コンピューティングの世界にも、アプリケーション開発者とユーザーの幅広いコミュニティー構築のためにソフトウェア生態系が必要です。D-Wave社は、量子ソフトウェア開発のための生態系の構築と発展のために戦略的イニシアティブに着手しています。D-Wave機顧客、ユーザー、サード・パーティの開発者、量子ソフトウェア企業は、システム・ソフトウェア、高水準ツール、D-Wave システムのパワーを活用したアプリケーションを取り入れています。これらの開発ツールと顧客ライブラリーを用いて、開発者は業界標準ツールを使用し既存の環境内でアルゴリズムとアプリケーションを作り出すことが出来ます。

D-Wave社はより多くの開発者の手にツールを渡すための手段としてオープン・ソース(ソース・コードが自由に使用可能)を使用しています。2017年初頭、私たちは、量子コンピューターの複雑な物理過程の理解がなくても、開発者がD-Waveシステムの量子コンピューティング・パワーを活用し高水準ツールとアプリケーションを構築できるオープン・ソースの量子ソフトウェア・ツールqbsolvTMをリリースしました。

D-Wave社のqbsolv のリリースは、アプリケーション開発者がより速くより容易にD-Wave量子システムを使用できるソフトウェア生態系を拡大しています。
1QBit社QC Ware社QxBranch社のような量子ソフトウェア企業だけでなく、ロスアラモス国立研究所、オークリッジ国立研究所などの組織を含むD-Waveシステム・ユーザーは、いろいろとツールとアプリケーションをすでに構築して来ています。

 

プログラミング

ユーザーは多くの異なった方法でシステムに問題を投入できる一方、問題は最終的には、各量子ビットへの重みと各カプラーへの強度に対応する値の集まりで表現されます。D-Wave システムは、これらの値をユーザー指定のパラメーターと併せて受け取り、単一量子機械命令(single quantum machine instruction :QMI)を量子プロセシング・ユニット(QPU)に送ります。問題の解は、見つけられた量子ビットの最適構成と対応しています。すなわち、エネルギー地形で最も低い地点です。これらの値はネットワークを通してユーザー・プログラムに戻されます。

ユーザーは次に示すいくつかの方法でD-Wave量子コンピューターに問題を投入することが出来ます。すなわち:

  • C、C++、Python、またはMATLAB で書いたプログラムを使用して、QMI を生成し、実行する
  • 以下のようなD-Wave ツールを使用すること:
    QSage – 最適化問題のためにデザインされた変換プログラム
    ToQ – 高水準言語トランスレーターで、制約条件を満たす問題のために使用される。ユーザーが問題ドメインの言語で「話す」ように設計された高レベルの言語トランスレーター
    qbsolv – オープン・ソースの一つ。設置されているQPUにフィットできない大きさの問題を、分割し最適化するソルバー (qbsolv ダウンロードはここから)
    dw – テキスト編集で作られたQMIの実行
  • QMIを使用して直にD-Waveシステムをプログラミングすること