最先端アルゴリズムのソフト化で、化学の未知を解明支援ーー世界を変える8つのテクノロジー/QunaSys 量子情報エンジニア 井辺洋平氏 #ms4su

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本稿は日本マイクロソフトが運営するスタートアップインキュベーションプログラム「Microsoft for Startups Founders Hub」による寄稿転載。同プログラムでは参加を希望するスタートアップを随時募集している

世界はコロナ禍を経て VUCA と呼ばれる不安定な時代に入ったと言われています。スタートアップにとって、これをチャレンジと捉えるべきでしょうか、それとも、チャンスと捉えるべきでしょうか。世界では、社会インフラが整っていない地域ほど、リープフロッグ現象を起こすスタートアップやユニコーンが多数生まれています。

日本の産業構造や社会は成熟しているものの、高齢化、労働者不足、中央集権的な仕組み、硬直化したシステムといった課題があります。こうした課題は、タイミングこそ違えど、いずれ世界各国や地域や社会が経験する可能性があり、日本のスタートアップが自由な発想で解決策を提示できれば、世界の救世主的存在になるかもしれません。

本稿では、自由な発想で産業や社会のペインを解決しようとするスタートアップにインタビューし、彼らの思い、軌跡、将来展望などについて、読者の皆さんと共有したいと思います。

前回に引き続き、今回も量子コンピューティングのスタートアップにスポットライトを当てます。

量子コンピューティングの恩恵に預かれる可能性のある産業分野は多岐にわたり、金融、化学、ライフサイエンス、交通、材料開発、防衛などでの活用が期待されます。一方で、量子コンピューティングの開発や運用には多額のコストがかかり、そのため、量子コンピューティングの開発に名乗りを挙げていたのは、数年前まで大手システム開発会社のみでした。

ここで、救世主となったのがパブリッククラウドの存在です。Microsoft Azure をはじめパブリッククラウド各社が量子コンピューティング環境をクラウド提供し始めたことで、この分野にもスタートアップが生まれ、アルゴリズムや社会実装に特化したサービスを提供し始めました。

アメリカで2021年にSPAC上場したIonQも、Microsoft Azureを通して量子コンピューティング環境をクラウド提供している企業の一つです。

今回取り上げる QunaSys は、のちに同社の出資者となったベンチャーキャピタル ANRI のパートナー鮫島昌弘さんが、ドイツ・ミュンヘンへの交換留学から帰国後に技術シードの社会実装を考えていた楊天任さん(現 CEO)に、大阪大学大学院で量子情報を研究していた御手洗光祐さん(現 CSO)を紹介、意気統合した2人は2018年に QunaSys を創業しました。

QunaSys は、量子コンピュータ分野における学術的知見を反映したアルゴリズムをソフトウェアに落とし込むことを強みとするスタートアップです。発表した論文30本以上(査読前のプレプリントベース)という数からは研究開発への注力もわかりますし、量子化学計算クラウドサービス「Qamuy」や企業コミュニティ「QPARC」を通じた事業展開にも積極的です。

QunaSys は2019年、量子コンピューティングに関わるスタートアップ、企業、アカデミアなどのメンバーで構成される Azure Quantum ネットワークに参加しました。QunaSys の近年の活動や今後の事業展開について、同社で量子情報エンジニア兼エバンジェリストを務めておられる井辺洋平さんにお話を伺いました。

QunaSys と解決しようとするペイン

Image credit: QunaSys

量子コンピューティングが適用可能な産業領域は多岐にわたりますが、なかでも QunaSys は化学に特化しています。なぜ、化学に特化しているのかを井辺さんに尋ねたところ、化学の問題を解く局面ではしばしば量子力学計算が使われ、化学と量子コンピューティングは非常に相性がいいからだといいます。

例えば、単純な分子(構成原子が少ない分子)であればパターンは少なくてすみますが、高分子(構成する元素種類が多く、原子数が多い分子)の場合、そのパターンは爆発的に大きなものになり計算に時間を要します。量子重ね合わせの原理を応用することで、量子コンピュータは分子の電子状態(分子内に電子がどのように分布しているか。物質の性質に大きく影響する)を効率的にシミュレートすることが可能です。

普段から行っているアルゴリズムの開発や検証は、古典コンピュータ(量子コンピュータではない従来のコンピュータのこと)上で走らせたシミュレータでもある程度できます。でも、例えば、論文に載せたり、大きな判断材料にしたりする結果を計算するときは、実機(量子コンピュータ)に頼る必要があります。(井辺さん)

QunaSys が提供する、化学者向け量子計算クラウドサービス「Qamuy」
Image credit: QunaSys

量子コンピューティングで高い精度の計算を行うには、精度の高い量子デバイスとアルゴリズムが必要です。アルゴリズム開発を主業とする QunaSys が創業の翌年の2019年、マイクロソフトの量子コンピューティング活用支援サービス「Azure Quantum」に日本で初めて加入したのは、そんな背景からでした。

世界最高性能とされる量子コンピューティング環境「Honeywell H1」は、Azure Quantum を経由してシームレスに扱うことができます。最先端の量子コンピュータが手軽に利用できることで、QunaSys は最先端のアルゴリズムがどの程度のパフォーマンスを出せるかを精緻に検証することができ、それを量子計算やアルゴリズムを求めるクライアントに提供できるわけです。

QunaSys が2020年にβローンチした「Qamuy」も、クライアントが量子コンピューティングを業務に活用する上で一役買っています。Qamuy には量子化学計算のライブラリが多数用意されていて、アルゴリズムの専門知識が無くても量子化学計算を簡単に実行できるほか、クライアントが各社独自のワークフローも構築できるため、作業の効率化を図ることができます。

ENEOS との共同研究プロジェクト

エネルギー各社は地球温暖化問題に対応すべく水素燃料の開発に取り組んでいます。ただ、水素は軽量で輸送が難しいことから、さまざまな水素キャリア(貯蔵や長距離の輸送効率が低い水素を、触媒で液体や水素化合物に変換し効率的に貯蔵・運搬する方法)が検討されていて、ENEOS では水素をメチルシクロヘキサン(MCH)に変換する方式の研究をしています。

MCH はインク修正液の溶剤などにも使われる身近な存在で、高温にすると水素を吐き出して毒性の少ないトルエンになることから扱いやすく、有望な水素キャリアとして注目されています。 ENEOSでは、化学反応のシミュレーションを用いて、水素をMCHに効率的に変換する触媒の研究を始めました。

化学反応の解析には高い計算能力が求められますが、特に遷移状態(化学反応の途上)のシミュレーションには、電子相関(電子がマイナスの電荷を帯びているので互いに反発し合おうとすること。電子の数が多い場合に顕著となり複雑な現象が生じる)を考慮した、さらに複雑な計算が必要となるため、量子コンピューティングの導入が検討されました。

実機実験の詳細(2022年9月に発表された、マイクロソフトのリリースから)

ここで声がかかったのが量子化学計算のエキスパートである QunaSys です。ENEOS と QunaSys は2020年に提携し共同研究プロジェクトを立ち上げ、Qamuy も導入されました。量子計算のための高精度な実機環境が検討された結果、ENEOS では QunaSys の推奨を元に Azure Quantum(および、それを通じた Honeywell H1)の採用を決めました。

QunaSys がアルゴリズムの開発・実装、及びシミュレータを用いた検証を行い ENEOS の化学エンジニアがそれを評価し、両社が協働してそれを最適化し、アウトプットの集大成として Azure Quantum / Honeywell H1 で実機実験に臨みました。井辺さんは、「マイクロソフトの支援を得て実機実験を円滑に進められたことで、ENEOS さんにも喜んでもらえたと思う」と振り返ります。

QunaSys が Microsoft for Startups 参加で得たもの

量子計算を行う上で、最先端の量子コンピュータ(Honeywell H1)と最先端のアルゴリズム(QunaSys のチームが主体となって開発したもの)が揃ったわけですが、この2つのリソースがあれば十分なプロジェクト遂行ができるかといえばそうではなく、試行錯誤のプロセス、つまり、アルゴリズム最適化(チューニング)のステップが重要になってきます。

Honeywell H1 は直接使うこともできます。でも、Microsoft for Startups の支援を受け、Azure Quantum 経由で Honeywell H1 を使うと、デバイスベンダーに加え、マイクロソフトの量子コンピューティング技術者からも支援を受けられました。それに、マイクロソフトには Matthias Troyer さんをはじめ量子コンピュータ研究の第一人者がいるのも魅力的でしたね。

また、ENEOS さんと共同研究を進めていく上で、アルゴリズムの最適化にシミュレータを使うんですが、シミュレータは(量子コンピュータではない)古典コンピュータ上で動くとはいえ、結構な計算リソースが必要になります。マイクロソフトからは Azure の GPU リソースを無償で提供してもらえたので、十分な試行錯誤を経て、論文にまとめることができました。(井辺さん)

ちなみに、QunaSys を担当した Microsoft for Startups カスタマープログラムマネージャーの 金光大樹さんによれば、くだんの GPU の無償利用は、クオーター制限解除のリクエストをする必要があるものの、最大$150,000の無料Azureクレジットの提供が可能とのこと。

またAzure Quantum クレジットプログラムでは、プロジェクト単位で量子ハードウェアで使用できる最大 10,000 ドル (米国ドル) の追加の Azure Quantum クレジットを提供できるとのこと。予算に限りのあるプロジェクトにとっては、ありがたい話です。このクレジットを受け取るには、Azure Quantum クレジット プログラムで申請できます。

Azure Quantum 経由でアクセスすると他にもメリットがあります。量子計算の内容にあわせて、Honeywell H1 だけでなく、比較のために複数の量子デバイスで計算を実行したい場合があるんですが、Azure 上に特別な言語で実装しておけば、同じ一つの実装コードで、他の異なる実機にも量子計算のジョブを投げることができ、これは大変便利です。(井辺さん)

QunaSys では、ENEOS との共同研究を通じた実機実験の結果を、10月に幕張メッセで開催された CEATEC 2022 のマイクロソフト・パビリオンでの講演で披露する機会を得て、これらは QunaSys の認知向上はもとより、クライアントである ENEOS の満足にもつながったそうです。

共同で研究させていただく企業は、今後も増やしていきたいです。どのような研究に量子計算が役に立つのかは常に模索していきたいし、新たな量子コンピュータの可能性が見出せるかもしれません。共同研究を進めながら、将来、Qamuy 以外にもプロダクトの開発にも取り組んでいければと考えています。(井辺さん)

量子コンピューティング分野のスタートアップの数はまだ限られますが、前回ご紹介した Jij と今回の QunaSys の2社が日本から Azure Quantum Network に参加しています。Microsoft for Startups の金光さんは、「マイクロソフトにとっても量子コンピューティングは注力していくピラーの一つ。今後も QunaSys と密接に連携していきたい」と抱負を語りました。

Microsoft for Startups のカスタマープログラムマネージャー 金光大樹さん

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