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量子コンピュータ

グーグルが「量子コンピュータ」による化学反応シミュレーションに世界初成功

1: かわる ★ 2020/09/02(水) 21:52:28.57 ID:I4oqB+tO9

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グーグルが開発した54量子ビットの量子コンピューター「Sycamore」は従来型コンピューターが1万年かかる計算を200秒で解いた/Credit:James Crawford


Googleの研究者たちによって、化学反応を量子コンピュータでシミュレートすることにはじめて成功しました。

シミュレートされた反応自体は非常に簡単なものですが、量子コンピュータのより汎用的な用途に向けた大きな第一歩です。

8月28日に「Science」に掲載された研究によると、使用されたのは「Sycamore(シカモア)」と呼ばれる54量子ビットを備えた量子コンピュータとのこと(量子ビットについてはこちらの記事も参考に)。

このSycamoreは2019年に従来型のコンピュータが1万年かかる計算を僅か200秒で解き、量子コンピュータの優位性(量子超越性)を実証したことでも有名です。

量子コンピュータの参戦により、化学シミュレーションの世界に激震が訪れようとしています。

これまで既存のコンピュータを用いて、多くの化学反応シミュレーションが行われました。

しかし化学反応に参加する原子や分子が増えるたびに計算は指数関数的に複雑になります。

そして悲しいことに、現在のコンピュータには、そのような爆発的な複雑さの上昇についていくことが厳しくなってきています。

一方、量子コンピュータにとって計算量の増加はそれほど苦にはなりません。

量子ビットを1つ増やすごとに処理能力が2倍になるため、適切なアルゴリズムを用いれば、計算能力もまた爆発的な増加が見込めるからです。

今回の研究で使われたSycamoreは54量子ビットを備えており、2の54乗個の演算を並列計算により同時に行うことが可能です。

今回の研究でシミュレーションの対象となったのは、ごく簡単な化合物で2つの窒素原子と2つの水素原子から構成される「ジアゼン分子」です。

このジアゼン分子には水素原子の位置が上の図のように同じ方向にあるパターン(シス)と、異なる方向にあるパターン(トランス)の2つの状態が知られています。

シミュレーションではこのジアゼン分子が2つの状態に変化させる過程が計算されました。

結果、量子コンピュータを用いた反応シミュレーションは、既存のコンピュータによる計算値、及び現実世界の測定値と一致しました。

今回シミュレートされた反応は非常に単純なものであり、一般に普及しているノートパソコンでも十分再現可能です。

しかし、この最初の一歩は計算化学の分野にとって非常に大きな前進となります。

量子コンピューターは量子ビットを増やしたり、簡単なアルゴリズム(計算方法・計算手順)の変化でスケールアップが望めるからです。

そのためグーグルの研究者たちは、将来的には全く新しい化学物質を計算によって開発することも可能だと述べています。

現在、既存のコンピュータの性能を量子コンピュータが凌駕しつつあります。

化学実験は実験室ではなく、パソコンの前でするという時代が、もうすぐそこまで来ているのかもしれませんね。
https://nazology.net/archives/67951



引用元: http://ai.2ch.sc/test/read.cgi/newsplus/1599051148/続きを読む

東芝、量子コンピュータより高速に組み合わせ最適化問題を計算するアルゴリズムを開発 世界最速級

1: しじみ ★ 2019/04/22(月) 19:25:58.58 ID:CAP_USER

東芝は4月20日、量子コンピュータが得意とする計算の一つである「組み合わせ最適化問題」を、従来のコンピュータ(古典コンピュータ)で高速に解けるアルゴリズムを開発したと発表した。ある問題設定では、現行の量子コンピュータ(>>>1�に比べて10倍高速に解を求められるという。同アルゴリズムを活用したサービスプラットフォームの、19年中の事業化を目指す。
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 東芝は、自社が持つ量子計算の理論から、古典力学の「分岐現象」「断熱過程」「エルゴード過程」という3つの現象に着目。これらをうまく利用し、古典コンピュータ上で組み合わせ最適化問題を解くアルゴリズムを「シミュレーテッド分岐アルゴリズム」(Simulated Bifurcation, SB)と名付けた。

 SBは従来の手法に比べて並列計算に向くとしており、GPUを8台つないだクラスタで10万変数・全結合の大規模問題を計算すると、数秒で良解(>>>2�を導けるという。

 また、FPGA(あるアルゴリズムの計算に特化した集積回路)を用い、2000変数・全結合の問題をSBで解いたところ、良解を0.5ミリ秒で得られたという。同問題を世界最速(2016年時点)で解けるとされていた「コヒーレント・イジングマシン」は良解の導出に5ミリ秒かかることから、「10倍高速に問題を解ける」としている。

 コヒーレント・イジングマシンより高速で、大規模な問題へも適用できることから、同社はSBを用いた組み合わせ最適化問題の計算について「世界最速・最大規模」をうたう。

 組み合わせ最適化問題の高速計算は、効率的な配送ルートの探索(巡回セールスマン問題)や新薬開発の分子構造決定、金融ポートフォリオの組み合わせ決定に有用とされる。

 同社は、「本技術をキー技術として、現代社会におけるあらゆる最適化ニーズに応えるサービスプラットフォームを実現し、19年中の事業化を目指す」としている。

 SBの詳細は、米オンライン論文誌「Science Advances」に4月19日付で掲載された。

SA=シミュレーテッド・アニーリング、CIM=コヒーレント・イジングマシン、SB=シミュレーテッド分岐アルゴリズム。SAやCIMより、SBの計算時間の方が短い

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>>>1�コヒーレント・イジングマシンの研究を主導する国立情報学研究所の山本喜久教授は量子の性質を用いて計算しているとしているが、他の研究者からは量子性の利用について疑問も呈されている。

>>>2�最適解とは限らないが、最適解に近い解。

■組み合わせ最適化問題と量子コンピュータ

 組み合わせ最適化問題は、カナダの量子コンピュータベンチャーD-Waveが開発したマシンに実装されている「量子アニーリング」や、量子アニーリングの計算過程を古典コンピュータ上で模した「シミュレーテッド・アニーリング」などが計算に適しているとされる。

 量子アニーリングとは、加熱して徐々に冷却すると物体内部の抵抗力を除去できる「焼きなまし」という自然現象を利用した計算方法。

 金属原子のように量子ビットを格子状に配列し、互いに結合させ、ビット同士の相互作用を定めた「イジング模型」を用い、最も安定する状態(基底状態)を探す。基底状態でのビットの状態が、問題の最適解に対応する。

 量子アニーリングの場合、理論的には量子トンネル効果により基底状態を得られるが、量子ビット同士の結合が物理的な制限を受けるため、大規模化に課題がある。

 一方シミュレーテッド・アニーリングは量子アニーリングのようなハードウェアの制限はない代わり、量子ビットを利用しないため、必ず基底状態を得られるとは限らない。東芝によれば、さらに「並列化による高速化が原理的に困難」だという。

ITmedia NEWS
https://www.itmedia.co.jp/news/articles/1904/22/news097.html



引用元:http://anago.2ch.sc/test/read.cgi/scienceplus/1555928758/続きを読む

量子力学「操作」に限界 電通大発見、計算機に応用も

1: しじみ ★ 2018/09/24(月) 12:16:22.03 ID:CAP_USER

 電気通信大学の田島裕康特別研究員らは量子力学の性質を使う非常に小さな対象を操作する際の精度に限界があることを突き止めた。操作の精度を一定以上に高めようとすると、操作を行う装置のエネルギーのばらつきが大きくなることを導いた。次世代の高速計算機と期待される量子コンピューターなどで使う量子デバイスの設計に応用できるという。

 従来のコンピューターが0か1のビットを基本単位として計算するのに対し、量子コンピューターは0でも1でもある「重ね合わせ」の状態が存在する量子力学の性質を利用している。これを実現するには、レーザー発振器で光を打ち込んで超電導回路を操作したり、磁力を使って、量子力学で使われる磁石の性質(スピン)を変化させたりすることが必要だ。

 田島特別研究員らはレーザー発振器などの量子力学で使う装置の操作の誤差を一定以下に小さくしようとすると、装置のエネルギーのゆらぎが大きくなり、大きなエネルギーが必要になることを数式で示した。

 量子力学の原理をコンピューターに応用することで、計算速度を高められることは分かっているが、重ね合わせの状態を保つのが難しい点が、高い計算能力を持つ量子コンピューターが開発できていない要因の1つとされている。今回の成果は量子デバイスの効率的な設計などに生かせる可能性がある。

日本経済新聞
https://www.nikkei.com/article/DGXMZO35610010R20C18A9X90000/



引用元:http://anago.2ch.sc/test/read.cgi/scienceplus/1537758982/
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カムチャッカ半島産の鉱物中に量子ビット 東京理科大学が発見

1: しじみ ★ 2018/02/22(木) 02:57:54.77 ID:CAP_USER

東京理科大学の藤原理賀助教らの研究グループは、
カムチャッカ半島のトルバチク火山で発見された鉱物を実験・理論の両側面からその内部磁気状態を調べた。
この結果、同物質の低温磁気状態が、一次元的に強い量子もつれを持った「ホールデン状態」であることを発見した。

 スピン(電子の角運動量の自由度)の大きさが整数の場合の低温状態をホールデン状態と呼ぶ。
この状態では、スピン間に強い量子もつれ(状態の重ね合わせによって現れる、異なる量子間の相関効果)があり、
一次元鎖の両端に位置する2つのスピンに、2量子ビット(量子計算の情報単位)に相当する自由度が現れる。

 また、この状態を積極的に活用した量子コンピュータの開発が、基礎科学・工学応用の両側面から期待されている。
一方で、ホールデン状態の再現には、整数スピンが必要であり、これを実現する元素は非常に限られているため、
これまで積極的に応用への試みがなされていなかった。

 K2Cu3O(SO4)3(鉱物名:Fedotovite)は、カムチャッカ半島のトルバチク火山で発見された鉱物。
研究グループは、この物質を構造的特徴から「辺共有四面体量子スピンクラスタ鎖」と名付けて人工合成し、
内部磁性に関して室温付近から4K以下まで実験的理論的に検討。
その結果、各辺共有四面体クラスタ(銅イオン6個で形成)は
硫酸イオンにより一次元的な相互作用を持つためホールデン状態が実現することが判明。
さらに、辺共有四面体の数が偶数の場合のみ低温状態としてホールデン状態が出現する可能性があることが分かった。

 今回の知見を一般化して、ホールデン状態を人工的に再現する指針も示した。
今後、より柔軟な量子コンピュータの設計指針構築が期待される。

論文情報:
【Physical Review Letters】Cluster-Based Haldane State in an Edge-Shared Tetrahedral Spin-Cluster Chain: Fedotovite K2Cu3O(SO4)3
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.077201

大学ジャーナル
http://univ-journal.jp/19359/


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