Caltechの「Ocelot」、量子コンピューティングのエラー抑制を前進させる

昨年、McKinsey & Company は 包括的なレポートを公開し、量子コンピューティングの将来の軌道を描きました。そのレポートは野心的に『The Rise of Quantum Computing 』と名付けられました。しかし、その野望は根拠がなかったわけではありません。

McKinsey は、量子コンピューティングへの旅路は技術的ブレークスルーの加速、投資の流入増加、スタートアップエコシステムの拡大によって推進されていると述べました。

これらすべての要因が、ビジネスリーダーに堅牢な量子コンピューティング戦略を計画させる原動力となっています。第3回目の Quantum Technology Monitor に関する最新の McKinsey 分析によると、化学、ライフサイエンス、金融、モビリティの4つのセクターが量子コンピューティングの最早期のインパクトを受け、2035年までに最大で 2 兆ドルの利益を得られる可能性があるとされています。

McKinsey が想定するように量子コンピューティングが成長するには、活気あるイノベーションエコシステムが必要です。この点で最先端の突破口の一つとして、Caltech キャンパス内の AWS Center for Quantum Computing¹ の科学者たちは、量子コンピュータのエラーを抑制する方法を見つけ出しました—これは将来の量子マシン構築における最大の障壁となり得る問題です。 

問題は何だったのか？

物理学のニッチ領域の研究を超えて汎用量子コンピュータを構築することは、ノイズに対する固有の感度が高いため依然として課題です。研究者は、振動、熱、携帯電話や Wi‑Fi ネットワークからの電磁干渉、さらには宇宙からの宇宙線や放射線までが、量子ビット（qubit）を量子状態から外し、古典コンピュータに比べてはるかに多くのエラーを引き起こすことを発見しました。

より科学的に正確に述べると、「連結ボソニック量子ビットによるハードウェア効率の高い量子誤り訂正」と題されたこの研究は、量子エラー訂正を組み込んだ量子コンピュータの構築を目指しています。論理 qubit が多数のノイズの多い物理 qubit に冗長的にエンコードされる形です。

Ocelot：解決策

簡単に言えば、AWS と Caltech の科学者チームは、キャット・キュービット と呼ばれるタイプの qubit を用いた新しい量子チップアーキテクチャでエラー抑制を実証しました。

キャット・キュービット自体は新しい概念ではなく、2001 年に最初に提案されました。それ以来、研究者は継続的に開発・改良を重ねています。チームにとっての突破口は、量子エラーを効率的に削減するよう設計された、初のスケーラブルなキャット・キュービットチップの創出でした。このチップは、斑点模様の野生猫であるオセロットにちなんで名付けられ、同時にキャット・キュービットの基盤となる内部の「オシレーター」技術を指しています。

研究者によれば、実用的な量子コンピュータには現在より10億倍低い誤り率が必要です。その水準に到達して初めて、十分に信頼できる計算が可能になります。この新発明は目標達成をより速く実現する手助けとなります:

Oskar Painter（PhD ’01）は、Caltechの応用物理学・物理学のJohn G. Braun教授であり、AWSの量子ハードウェア責任者です。彼は次のように説明しています。

「誤り率は約2年ごとに半分へ低下してきました。このペースでは、必要な水準に到達するまで70年かかります。そこで私たちは、もっと早く到達できる可能性がある新しいチップアーキテクチャを開発しています。ただし、これは初期段階の構成要素にすぎず、まだ多くの課題が残っています。」

研究者は、現在の qubit 技術の欠点を指摘しつつ、望ましいエラー保護レベルを提供するためには数千の追加 qubit が必要になる可能性があると述べています。これは、新聞社が膨大なファクトチェック部門を設置して記事の正確性を検証するようなものです。その結果、オーバーヘッドコストが過剰かつ扱いにくくなり、プロセスが崩壊してしまいます。

Caltech の理論物理学部門の Bren 教授であり、AWS の応用科学ディレクターでもある Fernando Brandão はこの問題を認めています。彼は次のように述べています:

「そこで私たちは、オーバーヘッドを減らせる新しい誤り訂正手法を試しています。」

Ocelot の基盤にあるオシレーション技術

チームは、マイクロ波オシレーターで構成された超伝導回路から形成されたタイプの qubit を使用しています。1 と 0 の状態（qubit を表す）は、2 つの異なる大規模振幅として定義されます。このアプローチは、ビットフリップエラーに対して安定かつ耐性のある qubit 状態を実現することを目的としています。

ビットフリップエラーが解消された後に残るのは位相フリップエラーです。位相エラーを検出するために、Ocelot チップは 4 つの補助 qubit を展開しています。

チームのシンプルなリピティションコードは位相フリップエラーの捕捉に効果的で、コードを 3 つのキャット・キュービットから 5 つに増やすことで性能が向上します。

研究の今後の方向性

現在、この実証は概念実証段階にあります。しかし、Painter のようにプロセスに関わる研究者は Ocelot が示した性能に興奮しています。彼は次のように語ります:

「これは非常に難しい問題です。学術界で進められている重要な研究と連携し、そこから学びながら、基礎研究への投資を続ける必要があります。」

Painter が示唆したように、これらの改善には企業の支援が必要です。スケールアップには投資が不可欠です。以下のセクションでは、量子コンピューティング分野で重要な取り組みを行っている企業をいくつか紹介します。

1. IBM

世界的に尊敬されるテックジャイアント IBM は、量子コンピューティングを実用化することに引き続きコミットしています。IBM Quantum という専用部門を運営し、Qiskit を通じて世界最大規模の量子コンピューティングフリートへのアクセスを提供しています。Qiskit は、ユーティリティ向けの包括的なプログラミングモデルを構築するためのソフトウェアツールとサービスを提供します。

たとえば IBM の QuantumSafe は、企業が量子時代に備えるためのソリューションで、127 qubit システムを無料で提供しています。さらに、プラットフォームはシステム、ドキュメント、学習リソースへのアクセスを一元化しています。

同社は 量子コンピューティングの責任ある利用 にも取り組んでいます。企業のミッションステートメントは「世界をより良く機能させる触媒になる」ことであり、Responsible Quantum Initiative を通じてこのミッションに沿った開発を保証しています。

IBM によれば、責任ある量子コンピューティングとはその影響を自覚した量子コンピューティングです。同社は内部で遵守すべき 5 つの Responsible Quantum Principles を策定しています。これらは次のとおりです:

• 社会にプラスのインパクトをもたらす。
• 先見的にユースケースを探求する。
• IBM の製品を正確にプロモートする。
• 一貫した原則に基づく意思決定を行う。
• 多様で包括的な量子コミュニティを構築する。

IBM Quantum™ ロードマップに沿った着実な進展により、同社はエンタープライズ向けクラウドサービスを提供するために量子プラットフォームをアップグレードしています。

具体的には、エンタープライズ向けインフラストラクチャの導入を進めています。ただし、レガシーユーザーへのシームレスさを保つために、新しい IBM Quantum Platform の最終バージョンは現在使用しているバージョンと非常に似たものになるよう調整されます。

同社は、従来提供してきたドキュメントや学習リソースへのアクセスを継続できるようにします。ただし、アップグレードによりパフォーマンスと機能が強化され、価値が向上します。

具体的な機能として、データプライバシーとセキュリティの強化、通知体験の合理化、プラットフォームナビゲーションの改善、英語以外の言語オプションの追加などが含まれます。

公共アクセスの向上を目的に、IBM は Quantum Network を構築しました。このネットワークは、企業、大学、研究所、産業リーダーが量子ユーティリティを推進する旅路を支援します。メンバーは学習リソース、専門家、イベントへのアクセスを得て、研究の加速と協働を促進します。

最新の会計年度において、IBM は売上高 628 億ドルを記録し、前年同期比で 1% 増、実質通貨ベースで 3% 増となりました。

結果について語った IBM の会長兼社長兼最高経営責任者である Arvind Krishna は次のように述べました:

“3 年前に、より速く成長し、より収益性の高い IBM のビジョンを掲げました。IBM チームが約束を満たす、あるいは上回る成果を上げたことを誇りに思います。焦点を絞った戦略、強化されたポートフォリオ、イノベーション文化により、2025 年以降も好調に推移し、売上成長率は少なくとも 5% 、フリーキャッシュフローは約 135 億ドルになる見込みです。”

2. Microsoft

量子コンピューティング分野で先駆的な取り組みを行うもう一つのテックジャイアントは Microsoft (MSFT ) です。そのビジョンは、業界最先端の先進技術を活用して科学的発見を加速させることにあります。

Microsoft は以下の 4 つの量子ソリューションを提供しています:

• Microsoft Quantum Compute Platform: 新世代の量子アプリケーションを可能にするプラットフォーム。
• Azure Quantum Elements: 科学的発見を加速するために特化されたソリューション。
• Quantum Hardware: スケールした量子スーパーコンピュータの実現を目指すソリューション。
• Quantum Networking: 量子ネットワークを用いた分散型量子コンピューティングを実現するソリューション。

これらのソリューションはユーザーの観点から見ると、提供するサービスが異なります。たとえば Microsoft Quantum Compute プラットフォームを通じて、最先端の量子ハードウェア、信頼性の高い論理 qubit、先進的な AI モデル、HPC シミュレーションへのアクセスが可能となり、科学的発見を加速できます。

Azure Quantum Elements ソリューションは、ハイパフォーマンスコンピューティング、人工知能、将来の量子コンピュータを活用して、化学や材料科学における科学的発見を加速します。

Microsoft Quantum Hardware を通じて、同社は気候変動の逆転や食料安全保障の向上といった課題に取り組む量子スーパーコンピュータの開発を進めています。

最後に Microsoft Quantum Networking は、量子クラスターをスケールさせ、新たなセキュリティ関連アプリケーションを実現するための量子ネットワーク機能を提供することを目指しています。

Microsoft Quantum Hardware をさらに掘り下げると、測定のみで動作する量子コンピューティングという根本的にシンプルな制御方式を先駆けて実装している点が画期的です。

トポロジカルコアを搭載した同社のプロセッサは、1 百万 qubit へとスケールできるよう設計されており、エネルギー、医療、その他の分野における人類最大の課題に取り組む計算力を提供します。

この点に関しては、Microsoft が Nature に掲載した論文『Interferometric Single-Shot Parity Measurement In Inas–Al Hybrid Devices』が参考になります。

全体として、Microsoft Quantum Hardware は以下の基盤的柱に支えられています:

• スケーラビリティ: 有用な量子コンピューティングを実現するよう設計。
• 安定性: ハードウェアレベルでエラーに耐性。
• 小型化: 1 枚のチップに 100 万以上の qubit を搭載可能。
• 高速: 1 操作あたり 1 マイクロ秒未満。
• 制御性: 電圧パルスにより正確なデジタル制御が可能。

Azure Quantum Elements の主要機能として、生成的化学は生成 AI の力を活用し、望ましい特性を持つ新規分子の発見と設計を大幅に簡素化します。加速された DFT 機能は、数千原子規模の分子特性を数時間で算出し、他の DFT コードに比べて速度が大幅に向上します。

さらに、オープンエコシステムにより、Azure Quantum Elements に最適化された既存のソフトウェアソリューションを活用できます。

Microsoft の Azure Quantum Elements は、Unilever が同社のスーパーコンピューティングと AI サービスを活用して R&D の変革と製品イノベーションを支援するなど、複数の研究機関や企業の未来志向ソリューションに貢献しています。

Microsoft は Pacific Northwest National Laboratory と協力し、より優れたバッテリー材料となり得る新素材を特定しました。また、AspenTech と連携して量子化学ワークフローを設計し、Johnson Matthey と提携して Azure Quantum を用いた水素燃料電池のイノベーションを加速しています。

Microsoft は 1910 Genetics と提携し、製薬業界の R&D 生産性を大幅に向上させ、InQuanto と協力して量子計算化学を加速させました。総じて、Microsoft は量子コンピューティングが堅牢で効率的な未来に実用的に貢献できることを示す重要な役割を果たしています。

2024 年は Microsoft にとって創業 50 年目の節目となりました。同社は年間売上高 2,450 億ドル超、前年比 16% 増、営業利益 1,090 億ドル超、前年比 24% 増を達成しました。同社は、クラウドコンピューティングの未来に向けた変革的な可能性を持つ技術、すなわち量子コンピューティングと先進 AI を中心に、技術製品とサポートソリューションの育成に注力すると明言しています。

大手テック企業が最善を尽くす一方で、機関研究は遅れを取っていません。本稿では、先に紹介した画期的な研究を出発点として、さらにいくつかの研究を取り上げて締めくくります。

量子コンピューティングの現状についてはこちらをご覧ください。

量子コンピューティング研究の詳細

Google Quantum AI と協力者は、2024 年 12 月に Nature にて「サーフェスコードしきい値を下回る量子誤り訂正」というタイトルで研究を発表しました:サーフェスコードしきい値を下回る量子誤り訂正²。

この研究は、実用的な量子コンピューティングへの鍵である量子エラー訂正の課題に取り組んでいます。複数の物理 qubit を組み合わせて論理 qubit を構成することで、追加の qubit が増えるほど論理エラー率を指数関数的に抑制します。

結果として、研究者は最新世代の超伝導プロセッサ「Willow」の 7 距離コードと、リアルタイムデコーダを統合した 5 距離コードという、しきい値以下のサーフェスコードメモリを 2 つ提示しました。

結果は重要でした。システムはリアルタイムデコード時にしきい値以下の性能を維持し、5 から 1,000,000 サイクルまでの距離で平均デコーダ遅延 63 マイクロ秒、サイクル時間 1.1 マイクロ秒を達成しました。研究者は、スケールすれば大規模なフォールトトレラント量子アルゴリズムの運用要件を実現できると主張しています。

2022 年には、IBM の研究者が gross コード と呼ばれる新しいコードを調査しました。このコードはハードウェアオーバーヘッドを大幅に削減しながらエラーのない量子情報保存を可能にします。

Nature に掲載された論文で、IBM は低 qubit オーバーヘッド、高エラーしきい値、長いコード距離を備えたフォールトトレラント量子メモリを追求しました。同社は、これらの条件を満たす具体的な qLDPC コード例を数学的に解析し、提示したと主張しています。

同社は、このコードが「Bivariate Bicycle (BB)」コードというファミリーに属すると述べており、今後の IBM の研究だけでなく、物理量子システムのアーキテクチャ設計にも影響を与えるとしています。

全体として、量子優位性に向けた着実な進展の余地は十分にあります。2023 年の世界的な量子技術への公的投資は 420 億米ドルに達し、その中で中国は政府投資 153 億米ドルを発表してトップに立っています。

続いてドイツ、イギリス、米国、韓国などが続きます。先進経済が量子コンピューティングと関連技術に多額の投資を行っている事実は、その潜在的規模が計り知れないことの証左です。現在見えているのは氷山の一角に過ぎないかもしれません。

トップ 5 量子コンピューティング企業の一覧はこちらをご覧ください。