「祖崇志」が新商品を発売しました。量子コンピューティング クラウド プラットフォームとは何でしょうか?

制作：中国科学普及協会

著者: ルアン・チュンヤン (清華大学物理学科)

プロデューサー: 中国科学博覧会

先週、超伝導量子コンピューティングソリューションに基づく「Zu Chongzhi」マシンが量子コンピューティングクラウドプラットフォーム上で正式にリリースされ、世界中のユーザーに公開されました。

「祖崇志」量子コンピューティングクラウドプラットフォームは、中国科学院量子情報・量子技術革新研究所を含む複数の部門が共同で開発したと報じられている。現在、ユーザーはオンラインテストに最大 176 個の量子ビットを使用でき、ユーザー自身がプログラムした量子アルゴリズムを実行できます。これは、我が国の量子コンピューティングクラウドプラットフォームが超伝導量子コンピューターのビット数記録を更新しただけでなく、それに接続された新世代の量子コンピューターの設計指標も国際先進レベルを目指していることを示しています。

超伝導量子コンピュータ

（写真提供：新華社通信）

量子コンピューティング クラウド プラットフォームは、量子コンピューティング技術とインターネット クラウド プラットフォームを組み合わせた新しいコンピューティング プラットフォームです。量子ビット（キュービット）の選択、量子論理ゲートの操作、対応する量子アルゴリズムの実行など、量子技術のリソースとサービスにリモートでアクセスして使用するためのプラットフォームを一般に提供します。

従来のクラウドコンピューティングプラットフォームと同様に、量子コンピューティングクラウドプラットフォームは、量子コンピューティングのリソースとサービスを複数のユーザーに同時に提供できるため、リソースの利用率が向上し、量子コンピューティング技術の開発と応用が加速され、より多くの人が量子コンピューティングの研究開発に参加できるようになります。

では、量子コンピューティング クラウド プラットフォームの何がそんなに魅力的なのでしょうか?なぜ科学者たちはそれを研究しようと躍起になっているのでしょうか?

SFが現実に：量子コンピューティングは自宅でも可能

量子コンピューティングについて話すとき、頭に浮かぶのは SF 小説のワンシーンであることが多く、それが量子コンピューティングに対する人々の好奇心をさらに刺激します。実際、量子コンピューティングが神秘的に聞こえる主な理由は、それが古典的なコンピューティングとはまったく異なる概念と原理を伴い、多くの不可解で驚くべき特性を持っているためです。

従来のコンピューティングでは、コンピューターはビットを使用して 0 または 1 の状態を表し、データの分析と計算を実行します。量子コンピューティングでは、量子ビットを使用して状態 0 と状態 1 の重ね合わせを表します。この重ね合わせ状態により、量子コンピューターは情報を処理する独自の能力を持ちます。

たとえば、2 つの量子ビットを持つ量子コンピュータは、|00⟩、|01⟩、|10⟩、|11⟩ の 4 つの可能性を同時に処理できますが、従来のコンピュータでは各状態を 1 つずつ考慮する必要があります。これは、量子ビット数 N が増加するにつれて、量子コンピュータの計算能力が 2 の N 乗の指数関数的に急速に増加し、従来のコンピューティングに匹敵することが難しい超計算能力を発揮することを意味します。

量子コンピューティングの概念マップ

（写真提供：veerフォトギャラリー）

しかし、量子コンピューティングの開発は、研究室から産業界に至るまで、まだ初期段階にあります。彼らの機器のほとんどは複雑で高価であり、専門の研究者による慎重なメンテナンスを必要とするため、短期間で数千世帯に導入することは困難です。現在主流となっている物理的なソリューション（超伝導量子ビット、光量子ビット、トラップイオンなど）を採用したとしても、量子コンピュータの量子ビットの数は依然として非常に限られており、特定のアルゴリズムの問​​題においてのみその利点を発揮することができます。

そのため、「研究室-産業界-一般ユーザー」を結び付け、3者が共同で量子コンピューティングの研究と応用に参加し、量子コンピューティング技術の発展を加速するための通信ブリッジが緊急に必要とされています。

幸いなことに、インターネット クラウド プラットフォームに基づく量子コンピューティングは、このような通信の架け橋となり、「産学研究」の道を切り開きます。その出現は 1990 年代のワールド ワイド ウェブの台頭に似ており、無数の一般ユーザーが参加できるようになり、よりアクティブなコミュニティ エコロジーが構築され、量子コンピューティングの潜在的な用途が徐々に模索されています。

ワールドワイドウェブ図

（写真提供：veerフォトギャラリー）

何の役に立つの？とても便利

量子コンピューティング クラウド プラットフォームの登場により、研究者や一般ユーザーに利便性が提供され、ユーザーは量子コンピューティングの可能性を活用し、新しいアプリケーションやアルゴリズムを探索できるようになります。以下にその使い方を見てみましょう！

量子コンピューティング クラウド プラットフォームは量子シミュレーションに使用できます。クラウド プラットフォームは、物理システムや分子構造などの複雑なシステムの動作をシミュレートするために使用できます。これは、新薬設計、材料科学、化学反応などの分野の研究にとって大きな意義を持ちます。たとえば、分子の相互作用をシミュレートすることで、科学者は新薬をより迅速に開発し、材料の特性を最適化することができます。

最適化問題にも使用できます。クラウド プラットフォームは、巡回セールスマン問題やロジスティクスの最適化など、従来のコンピューティングでは非常に時間のかかる最適化問題を解決できます。量子アルゴリズムの利点を活用することで、より高速で効率的なソリューションが提供され、ルート計画、リソース割り当て、その他の日常生活の問題が改善されます。

さらに、暗号化やセキュリティ強化にも使用できます。量子コンピューティングは暗号化の分野に潜在的な影響を与える可能性があります。クラウド プラットフォームは、量子コンピューティング攻撃に耐性のある暗号化アルゴリズムの研究開発に使用できます。これにより、ネットワーク通信とデータ転送のセキュリティが向上し、個人のプライバシーと企業秘密が保護されます。

暗号化図

（写真提供：veerフォトギャラリー）

一般の人々は、専門的なスキルや経験が豊富ではないかもしれませんが、クラウド プラットフォームを通じて量子コンピューティング リソースにアクセスし、関連するアルゴリズムやアプリケーションのメリットを享受できます。クラウド プラットフォームは、ユーザーが自ら量子コンピュータを構築して維持することなく、量子コンピューティングの可能性を活用できるようにする簡素化されたインターフェイスとツールをユーザーに提供します。

量子コンピューティングクラウドプラットフォームを開く正しい方法

量子コンピューティングクラウドプラットフォームは非常に優れているので、私たち一般ユーザーはどのようにそれを使用できるのでしょうか?クラウド サーバーにアクセスする場合と同様に、量子コンピューティング クラウド プラットフォームを使用する場合も、個人のデバイス端末とインターネットを使用して量子コンピューティング マシンにリモートでアクセスする必要があります。つまり、一般ユーザーは自分のパソコン上でマウスをクリックするだけで、伝説の神秘的な量子コンピュータにアクセスし、それを使用して特定の量子アルゴリズムのタスクを完了することができます。

クラウドコンピューティング図

（写真提供：veerフォトギャラリー）

もちろん、コンピューターを使用するときに異なるオペレーティング システムを選択するのと同じように、具体的な使用方法は、さまざまな量子コンピューティング クラウド プラットフォームのサービス プロバイダーによって異なります。一般的に言えば、量子コンピューティング クラウド プラットフォームの使用は、次の手順にまとめることができます。

1. 登録とログイン

2. コンピューティングリソースを選択し、タスクを作成する

必要なアルゴリズムタスクに応じて、量子ビットの数、量子ゲート操作の種類とパラメータなど、必要な量子コンピューティングリソースを選択します。一般的に、量子ビットの数が多いほど、より複雑なアルゴリズムタスクを実行できますが、エラー率も増加します。したがって、一部のプラットフォームでは、さまざまなタスク要件を満たすために、さまざまな量子コンピューティング リソースの選択肢が提供されます。

3. 量子アルゴリズムを記述し、タスクを実行する

一般ユーザーは、プラットフォームが提供する開発ツールを使用して量子アルゴリズムを作成できます。このプラットフォームでは通常、サンプル コードとアルゴリズムのケースも提供されており、誰もが量子コンピューティング クラウド プラットフォームの使用を開始して理解するのに役立ちます。量子アルゴリズムが記述されると、タスクはプラットフォームによって提供されるインタラクティブなインターフェース上で直接送信および実行できるようになります。

4. タスクの進捗と結果の取得

タスクの実行ステータスを確認するために、量子コンピューティング クラウド プラットフォームは、タスクの進行状況を追跡するリアルタイム タスク監視ツールも提供し、これにより誰もがタスクの実行プロセスをよりよく理解できるようになります。タスクが完了すると、プラットフォームから計算結果を取得できます。計算結果には通常、量子ビットの測定結果、計算の確率分布、および対応する最適化結果が含まれます。

したがって、量子コンピューティングクラウドプラットフォームの出現により、一般ユーザーが量子コンピューティングリソースにアクセスして活用する機会が提供され、量子コンピューティング技術の開発と応用が促進されます。一般ユーザーは高価な量子コンピューティング機器を購入して維持する必要はありません。簡単なトレーニングを行えば、量子コンピューティング リソースにアクセスして使用し、複雑な量子コンピューティング タスクを実行できるようになります。

さまざまな「スタイル」を試してみましょう

現在、市場にはいくつかの主要な量子コンピューティング クラウド プラットフォームが存在します。これらは国内外のテクノロジー企業によって構築されており、独自の量子コンピューティングコミュニティエコシステムを持っています。以下に、よく知られている量子クラウド コンピューティング プラットフォームとその独自の利点をいくつか示します。

IBM Q エクスペリエンス: この量子コンピューティング クラウド サービスは、2017 年に早くも一般向けに無料トライアルが開始されました。ユーザーが必要なアルゴリズム タスクを自由に記述して実行できるようにする、量子コンピューティング開発ツールの完全なセットを提供します。同時に、ユーザーはオンライン クラウド プラットフォームまたは Python 言語の qiskit を通じて量子コンピューティング リソースにアクセスして使用することもできます。

IBM Qエクスペリエンス

(画像クレジット: IBM Research/CC BY-ND 2.0)

Azure Quantum: 2019 年には、完全にオープンな量子コンピューティング クラウド プラットフォームである Azure Quantum も登場しました。このプラットフォームは、ユーザーが 3 つの異なるメーカーの量子ハードウェアにアクセスして使用するのに役立ち、オープン ソースの量子開発キット (QDK)、Azure クラシック コンピューター、量子シミュレーターの使用をサポートして、ユーザーのさまざまなタスク要件に適応します。

Amazon Braket: この量子コンピューティングクラウドプラットフォームは 2019 年後半に登場し、複数のプログラミング言語 (Python や Qiskit など) を使用した量子アルゴリズムの開発とテストをサポートしています。さらに、イオントラップ、超伝導量子、アニーリング量子コンピューティングという量子コンピューティングの 3 つの物理的実装方法を表す、IonQ、Rigetti、D-Wave という 3 つのよく知られた量子バックエンド デバイスへのアクセス ポートも提供します。

アマゾン ブラケット

(画像出典: Amazon)

海外のさまざまな「スタイル」に加えて、中国でもさまざまな量子コンピューティングクラウドプラットフォームが立ち上げられており、クラウドプラットフォームの研究開発に参加する研究機関が増えています。先週、2023年中関村フォーラム博覧会（科学技術博覧会）において、北京量子情報科学研究所、中国科学院物理研究所、清華大学は「Quafu」と呼ばれる新世代の量子コンピューティングクラウドプラットフォームを一般公開し、国内外で大きな注目を集めました。

（画像出典：Quafu公式サイト）

結論

量子コンピューティング クラウド プラットフォームは、量子コンピュータを数千の家庭に「導入」するネットワーク プラットフォームです。技術の進歩と量子コンピュータの発展により、将来的には一般ユーザーが選択できる量子コンピューティングクラウドプラットフォームがさらに多く登場し、将来のクラウドプラットフォームもより強力な機能を備えるようになると私は信じています。待って見てみましょう！