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Day3 Nature notebooks: Update for colab and qBraid #13

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Feb 4, 2025
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Day3 Nature notebooks: Update for colab and qBraid #13

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kifumi Feb 4, 2025
038c43e
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kifumi Feb 4, 2025
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14 changes: 7 additions & 7 deletions README.md
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Expand Up @@ -3,15 +3,15 @@
### Day 1
- [量子コンピューティング入門](https://github.com/quantum-tokyo/kawasaki-quantum-camp/blob/main/day1/20240730_Intro.pdf)
- [量子ゲート基礎 IBM Quantum Composer](https://github.com/quantum-tokyo/kawasaki-quantum-camp/blob/main/day1/20240730_Composer.pdf)
- [Qiskit入門演習](https://github.com/quantum-tokyo/kawasaki-quantum-camp/blob/main/day1/20240730_qiskit.ipynb)
- Qiskit入門演習([コード](https://github.com/quantum-tokyo/kawasaki-quantum-camp/blob/main/day1/20240730_qiskit.ipynb)・[解答例](https://github.com/quantum-tokyo/kawasaki-quantum-camp/blob/main/solutions/day1/20240730_qiskit_solution.ipynb))

### Day 2
- 量子ハードウェア入門([解説](https://github.com/quantum-tokyo/kawasaki-quantum-camp/blob/main/day2/20240731_1_Hardware.pdf)・[コード](https://github.com/quantum-tokyo/kawasaki-quantum-camp/blob/main/day2/20240731_hardware.ipynb)・[解答例](https://github.com/quantum-tokyo/kawasaki-quantum-camp/blob/main/day2/20240731_hardware_solution.ipynb)）
- 量子テレポーテーション（[解説](https://github.com/quantum-tokyo/kawasaki-quantum-camp/blob/main/day2/20240731_2_Telepo.pdf)・[コード](https://github.com/quantum-tokyo/kawasaki-quantum-camp/blob/main/day2/20240731_teleportation.ipynb)・[解答例](https://github.com/quantum-tokyo/kawasaki-quantum-camp/blob/main/day2/20240731_teleportation_solution.ipynb)）
- 量子機械学習 ([解説](https://github.com/quantum-tokyo/kawasaki-quantum-camp/blob/main/day2/20240731_3_QML.pdf)・[コード](https://github.com/quantum-tokyo/kawasaki-quantum-camp/blob/main/day2/qml/20240731_qml.ipynb)・[解答例](https://github.com/quantum-tokyo/kawasaki-quantum-camp/blob/main/day2/qml/20240731_qml_solution.ipynb))
- 量子ハードウェア入門([解説](https://github.com/quantum-tokyo/kawasaki-quantum-camp/blob/main/day2/20240731_1_Hardware.pdf)・[コード](https://github.com/quantum-tokyo/kawasaki-quantum-camp/blob/main/day2/20240731_hardware.ipynb)・[解答例](https://github.com/quantum-tokyo/kawasaki-quantum-camp/blob/main/solutions/day2/20240731_hardware_solution.ipynb)）
- 量子テレポーテーション（[解説](https://github.com/quantum-tokyo/kawasaki-quantum-camp/blob/main/day2/20240731_2_Telepo.pdf)・[コード](https://github.com/quantum-tokyo/kawasaki-quantum-camp/blob/main/day2/20240731_teleportation.ipynb)・[解答例](https://github.com/quantum-tokyo/kawasaki-quantum-camp/blob/main/solutions/day2/20240731_teleportation_solution.ipynb)）
- 量子機械学習 ([解説](https://github.com/quantum-tokyo/kawasaki-quantum-camp/blob/main/day2/20240731_3_QML.pdf)・[コード](https://github.com/quantum-tokyo/kawasaki-quantum-camp/blob/main/day2/qml/20240731_qml.ipynb)・[解答例](https://github.com/quantum-tokyo/kawasaki-quantum-camp/blob/main/solutions/day2/20240731_qml_solution.ipynb))

### Day 3
- 量子化学で薬の開発([解説](https://github.com/quantum-tokyo/kawasaki-quantum-camp/blob/main/day3/20240801_Nature.pdf)・[コード](https://github.com/quantum-tokyo/kawasaki-quantum-camp/blob/main/day3/nature/20240801_nature.ipynb)・[解答例](https://github.com/quantum-tokyo/kawasaki-quantum-camp/blob/main/day3/nature/20240801_nature_solution.ipynb))
- 量子化学で薬の開発([解説](https://github.com/quantum-tokyo/kawasaki-quantum-camp/blob/main/day3/20240801_Nature.pdf)・[コード](https://github.com/quantum-tokyo/kawasaki-quantum-camp/blob/main/day3/nature/20240801_nature.ipynb)・[解答例](https://github.com/quantum-tokyo/kawasaki-quantum-camp/blob/main/solutions/day3/20240801_nature_solution.ipynb))
- 量子最適化([解説](https://github.com/quantum-tokyo/kawasaki-quantum-camp/blob/main/day3/20240801_optimization.pdf)・[コード](https://github.com/quantum-tokyo/kawasaki-quantum-camp/blob/main/day3/20240801_optimization.ipynb)・[解答例](https://github.com/quantum-tokyo/kawasaki-quantum-camp/blob/main/day3/20240801_optimization_solution.ipynb))

### Day 4
Expand All @@ -20,9 +20,9 @@
## Camp期間のあとにQiskitコードを動かす場合
JupyterHub環境が動かなくなりますが、以下のいずれかの方法でコードを実行することができます。
1. [qBraid](https://www.qbraid.com)上で実行する
こちらのブログ[「qBraid LabでQiskitを使う手順」](https://qiita.com/kifumi/items/0bf725b9686c15201f27)を参照ください。
[「qBraid LabでQiskitを使う手順」](https://quantum-tokyo.github.io/introduction/get_started/qbraid.html)を参照ください。
2. [Google Colabratory](https://colab.research.google.com/) 上で実行する
毎回、以下のコマンドをjupyter notebook上で最初に実行する必要があります。([参考ブログ](https://qiita.com/kifumi/private/51a5d2a420e6318f78fb))
毎回、以下のコマンドをjupyter notebook上で最初に実行する必要があります。([「Google コラボ を使う手順」](https://quantum-tokyo.github.io/introduction/get_started/colab.html)を参照ください。)
```
!pip install qiskit qiskit[visualization] qiskit-ibm-runtime qiskit-aer
!pip install qiskit-algorithms qiskit-nature scikit-learn
Expand Down
63 changes: 47 additions & 16 deletions day3/nature/20240801_nature.ipynb
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Original file line number Diff line number Diff line change
Expand Up @@ -12,6 +12,45 @@
"Honomi Kashihara, Kifumi Numata, IBM Quantum （Aug 01, 2024)"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"id": "d89cfabd-06ff-4e9c-b2cb-a236918cc3c1",
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"source": [
"Google Colab で行う場合は、次のセルの「#」を削除して実行します。"
]
},
{
"cell_type": "code",
"execution_count": null,
"id": "f2b47f20-4d8c-4bb7-850d-b51cb373981e",
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"source": [
"#!pip install qiskit qiskit-ibm-runtime qiskit-aer qiskit[visualization]\n",
"#!pip install qiskit-algorithms qiskit-nature\n",
"#!pip install --prefer-binary pyscf"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"id": "bee604e1-7b32-4c91-8456-125dc00f49a5",
"metadata": {},
"source": [
"qBraid で行う場合は、右上の「Python 3[Default]」をクリックして「Python 3[QDC24]」を選択し、次のセルの「#」を削除して実行したあと、上部の「Kernel」→「Restart Kernel...」からカーネルをリスタートしてください。"
]
},
{
"cell_type": "code",
"execution_count": null,
"id": "f14312e5-33e9-4711-a72d-2639af37378a",
"metadata": {},
"outputs": [],
"source": [
"#!pip install pylatexenc qiskit-algorithms qiskit-nature\n",
"#!pip install --prefer-binary pyscf"
]
},
{
"cell_type": "code",
"execution_count": null,
Expand Down Expand Up @@ -41,7 +80,7 @@
"## Step 1: 水素分子の構造を定義する\n",
"このチュートリアルでは、水素分子(H$_2$)を使います。\n",
"\n",
"<img src=\"h2.png\"/>\n",
"![image.png](https://raw.githubusercontent.com/quantum-tokyo/kawasaki-quantum-camp/refs/heads/main/day3/nature/h2.png)\n",
"\n",
"\n",
"まず最初に行うことは、各原子核の位置を固定します。pythonの原子核のリストとして指定し、各原子核（リスト）には、原子の種類に対応した文字列とその3次元座標（別のリスト）が含まれます。また、全体の電荷を指定すると、その電荷を生成するために必要な電子の数をQiskitが自動的に計算します。"
Expand Down Expand Up @@ -174,7 +213,7 @@
"source": [
"さて、分子とその量子コンピューターへのマッピングを定義したところで、基底エネルギー問題を解くためのアルゴリズムとして、変分量子固有値ソルバー(VQE)を使います。VQEは、短い量子回路を用いた量子-古典ハイブリッドアルゴリズムであり、現在のノイズのある量子コンピューターに適しています。現在の量子コンピューターは、ノイズによって結果が完全にかき消されてしまう前にしか、つまり、短時間しか計算が実行できません。\n",
"\n",
"<img src=\"vqe_method_NB.png\"/>"
"![image.png](https://raw.githubusercontent.com/quantum-tokyo/kawasaki-quantum-camp/refs/heads/main/day3/nature/vqe_method_NB.png)"
]
},
{
Expand Down Expand Up @@ -444,7 +483,7 @@
"\n",
"[IBM Quantum Challenge Africa](https://github.com/qiskit-community/ibm-quantum-challenge-africa-2021) より\n",
"\n",
"<img src=\"HIV-1_capsid_wikipedia.png\"/>"
"![image.png](https://raw.githubusercontent.com/quantum-tokyo/kawasaki-quantum-camp/refs/heads/main/day3/nature/HIV-1_capsid_wikipedia.png)"
]
},
{
Expand Down Expand Up @@ -484,7 +523,7 @@
"\n",
"実際のプロテアーゼ分子は、約100個のアミノ酸からなる2本のポリペプチド鎖で構成されており（2本の鎖は折りたたまれています）、隣り合うアミノ酸同士はいわゆる*ペプチド結合*で結ばれています。\n",
"\n",
"<img src=\"peptide_bond_wikipedia.png\" title=\"Amino Acid bonding\"/>\n",
"![image.png](https://raw.githubusercontent.com/quantum-tokyo/kawasaki-quantum-camp/refs/heads/main/day3/nature/peptide_bond_wikipedia.png)\n",
"\n",
"私たちのプロテアーゼ分子のトイモデルは、このペプチド結合からヒントを得ることにしました。ペプチド結合は、多数のアミノ酸を結合しタンパク質を作る基本的な構造です。ペプチド結合は、一般的なタンパク質の折り畳みや、HIVプロテアーゼの切断能力など、タンパク質の化学的性質を決定する最も重要な要素の1つです。\n",
"\n",
Expand All @@ -493,7 +532,7 @@
"O=C-Nをプロテアーゼ分子のトイモデルにすること、非常に単純化されてはいますが、それでも生物学的に動機付けされています。\n",
"これがそのプロテアーゼのトイモデルです：\n",
"\n",
"<img width=50% src=\"protease.png\"/>\n",
"<img width=50% src=\"https://raw.githubusercontent.com/quantum-tokyo/kawasaki-quantum-camp/refs/heads/main/day3/nature/protease.png\"/>\n",
"\n",
"```\n",
"\"O\": (1.1280, 0.2091, 0.0000)\n",
Expand All @@ -506,7 +545,7 @@
"\n",
"この分子をハサミに見立てて、HIVウイルスのコピーを作る過程で、HIVのマスタータンパク質（Gag-Pol高タンパク質）を切ることができると想像してみてください：\n",
"\n",
"<img width=30% src=\"carpet_scissors_wikipedia_cropped.png\"/>"
"<img width=30% src=\"https://raw.githubusercontent.com/quantum-tokyo/kawasaki-quantum-camp/refs/heads/main/day3/nature/carpet_scissors_wikipedia_cropped.png\"/>"
]
},
{
Expand All @@ -518,7 +557,7 @@
"\n",
"抗レトロウイルス剤とは、プロテアーゼと結合して、その**切断機構を阻害する**分子のことです。今回のチャレンジでは、1個の炭素原子(C)を抗レトロウイルス分子の代用とします。\n",
"\n",
"<img width=10% src=\"arv.png\"/>\n",
"<img width=10% src=\"https://raw.githubusercontent.com/quantum-tokyo/kawasaki-quantum-camp/refs/heads/main/day3/nature/arv.png\"/>\n",
"\n",
"### マクロ分子\n",
"2つの分子は私たちの頭の中では別々になっていますが、接近すると、外側の電子がすべての原子の周りに分子軌道を形成して、1つのマクロ分子になります。\n",
Expand All @@ -536,7 +575,7 @@
"## Step 1: マクロ分子の分子定義\n",
"\n",
"抗レトロウイルス剤が「刃」の間にある窒素原子（N）に接近する様子を表現するために、分子定義と分子変化を構築します：\n",
"<img width=50% src=\"arv_approaches_protease.png\"/>\n",
"<img width=50% src=\"https://raw.githubusercontent.com/quantum-tokyo/kawasaki-quantum-camp/refs/heads/main/day3/nature/arv_approaches_protease.png\"/>\n",
" ```\n",
" \"C\": (-0.1805, 1.3955, 0.0000)\n",
" ```"
Expand Down Expand Up @@ -788,14 +827,6 @@
"import qiskit\n",
"qiskit.version.get_version_info()"
]
},
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"execution_count": null,
"id": "68949b4a-b941-4593-8a55-9efa2ebe5ea1",
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Expand Down
74 changes: 49 additions & 25 deletions day3/nature/20240801_nature_solution.ipynb → ...tions/day3/20240801_nature_solution.ipynb
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Original file line number Diff line number Diff line change
Expand Up @@ -12,6 +12,45 @@
"Honomi Kashihara, Kifumi Numata, IBM Quantum （Aug 01, 2024)"
]
},
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"Google Colab で行う場合は、次のセルの「#」を削除して実行します。"
]
},
{
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"id": "8443d649-2907-4524-a46c-9caa45f8f4c8",
"metadata": {},
"source": [
"qBraid で行う場合は、右上の「Python 3[Default]」をクリックして「Python 3[QDC24]」を選択し、次のセルの「#」を削除して実行したあと、上部の「Kernel」→「Restart Kernel...」からカーネルをリスタートしてください。"
]
},
{
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"id": "49b2baad-b650-46d1-9037-b1da055396f1",
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"#!pip install pylatexenc qiskit-algorithms qiskit-nature\n",
"#!pip install --prefer-binary pyscf"
]
},
{
"cell_type": "code",
"execution_count": 1,
Expand Down Expand Up @@ -41,8 +80,7 @@
"## Step 1: 水素分子の構造を定義する\n",
"このチュートリアルでは、水素分子(H$_2$)を使います。\n",
"\n",
"<img src=\"h2.png\"/>\n",
"\n",
"![image.png](https://raw.githubusercontent.com/quantum-tokyo/kawasaki-quantum-camp/refs/heads/main/day3/nature/h2.png)\n",
"\n",
"まず最初に行うことは、各原子核の位置を固定します。pythonの原子核のリストとして指定し、各原子核（リスト）には、原子の種類に対応した文字列とその3次元座標（別のリスト）が含まれます。また、全体の電荷を指定すると、その電荷を生成するために必要な電子の数をQiskitが自動的に計算します。"
]
Expand Down Expand Up @@ -247,7 +285,7 @@
"source": [
"さて、分子とその量子コンピューターへのマッピングを定義したところで、基底エネルギー問題を解くためのアルゴリズムとして、変分量子固有値ソルバー(VQE)を使います。VQEは、短い量子回路を用いた量子-古典ハイブリッドアルゴリズムであり、現在のノイズのある量子コンピューターに適しています。現在の量子コンピューターは、ノイズによって結果が完全にかき消されてしまう前にしか、つまり、短時間しか計算が実行できません。\n",
"\n",
"<img src=\"vqe_method_NB.png\"/>"
"![image.png](https://raw.githubusercontent.com/quantum-tokyo/kawasaki-quantum-camp/refs/heads/main/day3/nature/vqe_method_NB.png)"
]
},
{
Expand Down Expand Up @@ -618,7 +656,7 @@
"\n",
"[IBM Quantum Challenge Africa](https://github.com/qiskit-community/ibm-quantum-challenge-africa-2021) より\n",
"\n",
"<img src=\"HIV-1_capsid_wikipedia.png\"/>"
"![image.png](https://raw.githubusercontent.com/quantum-tokyo/kawasaki-quantum-camp/refs/heads/main/day3/nature/HIV-1_capsid_wikipedia.png)"
]
},
{
Expand Down Expand Up @@ -658,7 +696,7 @@
"\n",
"実際のプロテアーゼ分子は、約100個のアミノ酸からなる2本のポリペプチド鎖で構成されており（2本の鎖は折りたたまれています）、隣り合うアミノ酸同士はいわゆる*ペプチド結合*で結ばれています。\n",
"\n",
"<img src=\"peptide_bond_wikipedia.png\" title=\"Amino Acid bonding\"/>\n",
"![image.png](https://raw.githubusercontent.com/quantum-tokyo/kawasaki-quantum-camp/refs/heads/main/day3/nature/peptide_bond_wikipedia.png)\n",
"\n",
"私たちのプロテアーゼ分子のトイモデルは、このペプチド結合からヒントを得ることにしました。ペプチド結合は、多数のアミノ酸を結合しタンパク質を作る基本的な構造です。ペプチド結合は、一般的なタンパク質の折り畳みや、HIVプロテアーゼの切断能力など、タンパク質の化学的性質を決定する最も重要な要素の1つです。\n",
"\n",
Expand All @@ -667,7 +705,7 @@
"O=C-Nをプロテアーゼ分子のトイモデルにすること、非常に単純化されてはいますが、それでも生物学的に動機付けされています。\n",
"これがそのプロテアーゼのトイモデルです：\n",
"\n",
"<img width=50% src=\"protease.png\"/>\n",
"<img width=50% src=\"https://raw.githubusercontent.com/quantum-tokyo/kawasaki-quantum-camp/refs/heads/main/day3/nature/protease.png\"/>\n",
"\n",
"```\n",
"\"O\": (1.1280, 0.2091, 0.0000)\n",
Expand All @@ -680,7 +718,7 @@
"\n",
"この分子をハサミに見立てて、HIVウイルスのコピーを作る過程で、HIVのマスタータンパク質（Gag-Pol高タンパク質）を切ることができると想像してみてください：\n",
"\n",
"<img width=30% src=\"carpet_scissors_wikipedia_cropped.png\"/>"
"<img width=30% src=\"https://raw.githubusercontent.com/quantum-tokyo/kawasaki-quantum-camp/refs/heads/main/day3/nature/carpet_scissors_wikipedia_cropped.png\"/>"
]
},
{
Expand All @@ -692,7 +730,7 @@
"\n",
"抗レトロウイルス剤とは、プロテアーゼと結合して、その**切断機構を阻害する**分子のことです。今回のチャレンジでは、1個の炭素原子(C)を抗レトロウイルス分子の代用とします。\n",
"\n",
"<img width=10% src=\"arv.png\"/>\n",
"<img width=10% src=\"https://raw.githubusercontent.com/quantum-tokyo/kawasaki-quantum-camp/refs/heads/main/day3/nature/arv.png\"/>\n",
"\n",
"### マクロ分子\n",
"2つの分子は私たちの頭の中では別々になっていますが、接近すると、外側の電子がすべての原子の周りに分子軌道を形成して、1つのマクロ分子になります。\n",
Expand All @@ -710,7 +748,9 @@
"## Step 1: マクロ分子の分子定義\n",
"\n",
"抗レトロウイルス剤が「刃」の間にある窒素原子（N）に接近する様子を表現するために、分子定義と分子変化を構築します：\n",
"<img width=50% src=\"arv_approaches_protease.png\"/>\n",
"\n",
"<img width=50% src=\"https://raw.githubusercontent.com/quantum-tokyo/kawasaki-quantum-camp/refs/heads/main/day3/nature/arv_approaches_protease.png\"/>\n",
"\n",
" ```\n",
" \"C\": (-0.1805, 1.3955, 0.0000)\n",
" ```"
Expand Down Expand Up @@ -1040,22 +1080,6 @@
"import qiskit\n",
"qiskit.version.get_version_info()"
]
},
{
"cell_type": "code",
"execution_count": null,
"id": "68949b4a-b941-4593-8a55-9efa2ebe5ea1",
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"outputs": [],
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"cell_type": "code",
"execution_count": null,
"id": "8d5e4aa7-5934-44e3-92d5-ccd8b6e20c4d",
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"outputs": [],
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Expand Down