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“Quantum Ready”のその先へ ―2022年・量子コンピューティングの可能性

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2021年7月,東京大学と日本IBMは神奈川県川崎市にある「新川崎・創造のもり 川崎新産業創造センター(KBIC⁠⁠」において,日本で初となるゲート型商用量子コンピューティングシステム「IBM Quantum System One」⁠以下,IBM Q)の稼働開始を発表しました。搭載されているプロセッサは27量子ビットの「IBM Falcon」で,量子ビット数だけを見ると決して最先端とはいえませんが,国内の企業や研究機関が専有的に利用できる量子コンピュータの実機が安定稼働に至ったことは,日本の量子コンピュータ市場の活性化を促進する大きなマイルストーンだったといえます。

新川崎で行われたIBM Quantum System Oneの設置セレモニー。量子コンピュータの周りを囲む特殊なガラスはイタリアのGoppion製で,特殊なスキルをもつパートナー企業が川崎市に存在する

新川崎で行われたIBM Quantum System Oneの設置セレモニー

このニュースに代表されるように,2021年は量子コンピュータへの注目度が国内でも一段と高まった年でもあり,産官学の連携も相次いで発表されました。またグローバルでは,IBMやGoogle,AWSといった量子コンピュータの開発/研究をリードする巨大ITベンダの積極的な動きに加え,量子コンピュータに関連したスタートアップビジネスも数多く立ち上がり,量子コンピュータ市場は急速にその規模を拡大しつつあるように見えます。

もっとも,現在の量子コンピュータには,特定の計算においてスーパーコンピュータ(古典コンピュータ)よりも高速に計算できることを示す「量子超越性」や,量子コンピュータ特有のノイズから生じるエラー(誤り)を訂正する「誤り訂正機能」など,実現されていない技術的課題が多く存在します。にもかかわらず,量子コンピュータ市場が活性化しているのは,現段階から量子コンピュータをテクノロジスタックとして組み込むことで,近い将来,ビジネスにおける優位性を獲得できると確信する企業が増えているからだと思われます。IBMで量子コンピュータ開発をリードしてきたIBM Research ディレクター ダリオ・ギル(Dario Gil)氏はこの現状を「Quantum Ready⁠⁠,より実用的なタスクに量子コンピュータが活用されるようになるまでの準備期間である,と2021年のレポート「The Quantum Decade」で述べています。

数年前までは論文の中でしか存在を感じられなかった量子コンピュータが実機として公開され,クラウド経由で世界中の研究者/開発者が利用できるようになり,多くの企業が実証実験に挑むようになったことで,⁠量子コンピュータが本格的に活用される時代は,みなさんが思うよりも,もうすぐそこまで来ています」⁠The Quantum Decade)というギル氏の言葉は,非常に現実味をもって我々に迫っています。

では2022年を迎えたいま,量子コンピュータは実際に何ができるようなっていて,どんなユースケースが期待されているのでしょうか。本稿では量子コンピューティングの国内エキスパートのひとりでもあるAWSジャパン 技術統括本部 シニア機械学習ソリューションアーキテクト 宇都宮聖子氏に伺った量子コンピューティングのトレンドを中心に,国内外の事例も織り交ぜながら,"Quantum Ready"の先に拡がる世界を覗いてみたいと思います。

お話を伺ったAWSジャパン 技術統括本部 シニア機械学習ソリューションアーキテクト 宇都宮聖子氏

AWSジャパン 宇都宮聖子氏

2021-2022の量子コンピューティング

量子コンピュータはどんな分野で使うことができるのか ―宇都宮氏は現在,量子コンピュータの活用が期待されるおもなユースケースとして以下を挙げています。

  • 量子化学計算,創薬,材料化学
  • 量子機械学習
  • 金融(ポートフォリオ最適化,リスク計算,オプション価格決定)
  • 交通系(配送計画最適化,交通経路探索)
  • 最適化(レコメンデーション,人材配置)

なかでも興味深いのが化学分野で,具体的には「格子タンパク質の折り畳み」⁠電子構造シミュレーション」⁠エネルギーの基底状態計算」⁠バーチャルスクリーニング分子類似性」といったユースケースでの適用が模索されています。この分野の計算はスーパーコンピュータでの事例も多く発表されていますが,量子コンピュータ(量子アルゴリズム)を活用することで,高い精度の分子モデリングを高速に実現できるようになるといわれています。古典コンピュータでは扱いきれなかった,複雑な分子間の相互作用の記述や計算を量子コンピュータが可能にすれば,化学物質の設計方法なども大きく変わってくるでしょう。量子コンピュータだけではなく,古典手法や機械学習と組み合わせたソリューションの探索が期待される分野でもあります。

また,一般企業での応用も期待される分野として,ポートフォリオ最適化,配車ルート,製造ロジスティクスなどに代表される組合せ最適化問題を量子コンピュータで解くというアプローチがあります。カナダのD-Waveのほか,富士通やNECなど日本のITベンダも注力する「量子アニーリング方式」のハードウェアはこの組み合わせ最適化に特化することで回路をシンプル化し,大規模化しやすい構造となっています。組合せ最適化問題を量子コンピュータで解く,いわゆる量子最適化においては,解くべき問題を「QUBO(Quadratic Unconstrained Binary Optimization⁠⁠」と呼ばれる,イジングモデルと似た目的関数に変換するアプローチが多く取られています。

組み合わせ最適化ではイジングモデルをQUBOに置き換えて実行するケースが増えている

組み合わせ最適化ではイジングモデルをQUBOに置き換えて実行するケースが増えている

一般的に"量子コンピュータ"という場合は,IBM QやGoogleが開発する量子コンピュータ「Sycamore」など量子ゲート方式を採用するハードウェアを指しています。量子ゲート方式は回路を柔軟に設定できるため,前述の化学計算や金融工学,暗号解読など多彩な用途での活用が期待されていますが,ハードウェアの製造が非常に難しく,大規模化しにくいという課題があります。これに対し,量子アニーリング方式は,組み合わせ最適化という特定の用途に限定することで,安定化と大規模化を実現しました。宇都宮氏は量子アニーリング方式による量子最適化のアプローチについて「実際のビジネスに近い問題に取り組みやすいことから多くのユーザ企業が注目しているのは事実だが,現時点では実用的な問題を扱うにはサイズが小さいことも多く,まずは量子コンピュータの世界を試してみたいという初期のニーズに応えている部分が大きい」とコメントしており,一般の企業が本格利用するようになるのはもう少し先のようです。

なお,2021年10月にNTTデータが開催した「NTTデータテクノロジカンファレンス 2021」では,NTTデータとトヨタによる量子アニーリング方式を用いた実証実験「交通最適によるCO2削減効果の検証」として,都市全体の渋滞解消をはかりながら,CO2削減を実現し,さらに個車の利便性にも配慮した実効性のある最適ルートへの提案を模索した結果が発表されていました。コネクテッドカーから収集したデータをもとに混雑度を予測し,数理モデルをQUBOで作成してクラウド経由でD-Waveで計算を実行し,どのルートに何台誘導するかを算出した結果,⁠混雑緩和とCO2排出量削減を実現できる可能性を示すことができた」としています。こうした実証実験が重ねられていくことで,量子最適化に適用できる問題の範囲が大きくなることが期待されます。

2021年11月に行われたNTTデータテクノロジカンファレンスで発表された,組み合わせ最適化の事例で紹介された数理モデル(QUBO⁠⁠。1次変数で車両群を表してビット数を減らす,CO2発生量のモデルは回帰式による関数を採用するなどの工夫がされている

2021年11月に行われたNTTデータテクノロジカンファレンスで発表された,組み合わせ最適化の事例で紹介された数理モデル(QUBO)

組み合わせ最適化の結果,CO2排出量を減らし,車両ルートの分散にも成功

組み合わせ最適化の結果,CO2排出量を減らし,車両ルートの分散にも成功

著者プロフィール

五味明子(ごみあきこ)

IT系の出版社で編集者としてキャリアを積んだ後,2011年からフリーランスライターに。フィールドワークはオープンソースやクラウドコンピューティング,データアナリティクスなどエンタープライズITが中心。海外カンファレンス取材多め。Blog 「G3 Enterprise」やTwitter(@g3akk),Facebookで日々IT情報を発信中。

北海道札幌市出身/東京都立大学経済学部卒。

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