量子チップのマイルストーンがコンピューティングの未来への期待を高める

新たな量子コンピューティングのマイルストーン

Quantum computing is, together with AI, a new horizon for the tech industry. This is because, contrary to 他の非シリコン計算技術, like graphene, photonics, or even biological organoids, quantum computing performs calculations in a radically new way.

量子効果を利用して計算を行い、0 と 1（バイナリビット）ではなく、量子ビット（キュービット）で計算します。キュービットは粒子データが同時に 0 と 1 の両方、あるいは 1、あるいは 0 のいずれかの状態を取ります。このような手法により、特定の数学的問題に対して、量子コンピュータは従来のコンピュータに比べて桁外れに効率的になることがあります。

そして、これこそがGoogleが最近実証したことです: 世界最速のスーパーコンピュータが現在で十七兆年（10,000,000,000,000,000,000,000,000）かかる問題を、わずか5分で解く新しいチップを発表しました。年

この驚異的な性能に加えて、実用的な計算に対してスケーラブルかつ信頼性のある量子コンピュータチップとして初めて実現可能性があるかもしれません。結果はトップ科学誌『Nature』に掲載され、タイトルは「表面コード閾値以下の量子誤り訂正」です。

Willow を紹介

The Google quantum computing chip in question is called Willow.

出典: Google

これはGoogleが開発した、Foxtail、Bristlecone、Sycamore と続く、ますます高性能になる量子チップシリーズの最新バージョンです。

出典: Google

Willow の性能をテストするために、ランダム回路サンプリング（RCS）ベンチマークが使用され、通常のスーパーコンピュータと比較されました。この手法はSycamoreの性能を測定するために作られ、古典コンピュータで同等の計算を行うために必要なキュービット数を評価します。

出典: Google

スケーラビリティがついに手の届く範囲に

これまでの量子コンピューティングの大きな制約は、キュービットが極めて脆弱であることです。量子状態は寿命が非常に短く、環境からの干渉が量子計算に必要な条件を不安定にします。

そのため、現在の量子コンピュータはすべて超低温環境と超伝導材料を使用しています。これにより、システムは複雑で高コストになるだけでなく、信頼性のある運用が非常に困難になります。

“量子コンピュータに有用な計算をさせるには、量子情報が必要であり、環境から—そして私たちが操作する際にも—それを保護しなければなりません。” ジュリアン・ケリー – Google 量子ハードウェア部門リーダー

さらに問題を加えると、これまでのところシステム内のキュービット数が増えるほどエラー率が上昇し、どんな不安定さもドミノ効果を引き起こします。つまり、キュービットが増えるほどエラーが増え、計算能力を増やすことがかえって全体の性能を低下させる段階に至ります。

そして、計算能力以上に、ここがWillowが真のブレークスルーである点です。

Willow の正確な性能については、Google が提供する専用ビデオプレゼンテーションでも直接確認できます:

誤り訂正

Google にとって根本的なステップは、いわゆる誤り訂正に取り組むことでした。考え方は、同一の量子コンピュータ内でも、キュービットごとに信頼性が異なるというものです。

したがって、性能が低いキュービットや外れたキュービットを再構成し、チップ全体と同等に動作させることが可能です。

出典: Google

さらに、較正手法を改善し、すべてのキュービットに対するソフトウェア的な最適化でエラーを最小化することで、さらなる向上が期待できます。

量子誤り訂正閾値

この閾値は量子コンピューティング研究者が長年追い求めてきた目標です。エラー率が十分に低く、キュービットを追加すればするほどエラーが減少する状態を指します。これは長らく理論上のものとされていましたが、初めてWillowで実現されました。

我々は、物理キュービットの配列を拡大し、3×3 のエンコードキュービットのグリッドから5×5、7×7へとスケールアップしました。そのたびに、最新の量子誤り訂正技術を用いてエラー率を半減させることができました。

Google Quantum Computing Department

出典: Google

本質的に、エラーが相互に蓄積して崩壊に至るのではなく、エラーが十分に稀になることで、追加の計算資源で訂正でき、全体の信頼性が向上します。

Google がこのブレークスルーを達成した鍵となったのは、特定のキュービット性能である「キュービットコヒーレンス時間」の劇的な改善です。これはキュービットがコヒーレンス状態を維持できる時間で、量子計算を行うための前提条件です。

Willow はコヒーレンス時間を 100 マイクロ秒に達成しました。これは 2019 年の Sycamore がわずか 20 マイクロ秒だったのと比較して大幅な向上です。

これは重要なデータポイントであり、コヒーレンス時間の向上は指数関数的に信頼性の高い量子コンピュータへと直結し、いわば現在の量子版ムーアの法則と見なすことができます。ムーアの法則は「通常」のコンピュータの継続的な性能向上を牽引してきました。

この閾値以下の最初のシステムとして、これまでで最も説得力のあるスケーラブルな論理キュービットのプロトタイプです。実用的で非常に大規模な量子コンピュータが実際に構築可能であることを示す強いサインです。Willow は、従来のコンピュータでは再現できない実用的で商業的に重要なアルゴリズムの実行に一歩近づけます。

Google Quantum Computing Department

これらすべては、Google が超伝導量子チップの製造施設に長期的に投資してきたおかげで実現しました。

物理キュービットから論理キュービットへ

有用な計算を行うには、量子コンピューティングは物理チップが生成する実際の計算単位である論理キュービットを使用する必要があります。

Willow のエラー率では、1 つの論理キュービットは約 1,000 個の物理キュービットで構成されると見込まれます。誤り訂正がさらに改善されれば、これを 200 個の物理キュービットまで削減できる可能性があります。

現在、Willow の容量は 105 キュービットです。

次のステップ

このブレークスルーにより、安定かつ信頼性が高く、スケーラブルな論理キュービットの構築という見通しが手の届く範囲になりました。特に、物理キュービットを追加するとエラー率が指数関数的に低減し、逆に増加することはなくなります。

おそらく次のステップは、さらに多くのキュービットを搭載した Willow の後継機を構築し、同時に誤り訂正技術を向上させることです。これにより、Google の次世代量子チップ設計が完全な論理キュービットを作成できるようになるでしょう。

しかし、論理キュービット同士をネットワークで接続し、量子状態を共有・交換できるようにするという別の課題が残ります。

その時初めて、日常的に使用でき、さらに自由にスケールアップできる真の量子コンピュータについて語ることができるようになります。

以前に、キュービットの改善を超えて量子コンピューティングの性能とアーキテクチャを向上させる可能性のあるいくつかの技術や並行ブレークスルーについて議論しました。例として:

• ナノ機械共振器、キュービットを不安定にせずに量子状態をより正確に測定するため。
• 超伝導非線形非対称誘導素子（SNAIL）共振器、キュービットの 0 と 1 の重ね合わせを超えて、連続変数（CV）量子コンピューティングを開発するため。
• より優れた超伝導材料、量子コンピューティングシステムの安定性を向上させるため。

全体として、Google のブレークスルーは真に画期的で、スケーラブルな商用コンピュータの最初の現実的な目標を掲げた、量子コンピューティングの見通しにおける根本的な進化です。

しかし、同社のGoogle Quantum AIラボのリーダーであるHartmut Nevenは、これは明日実現するものではないと警告しています:

“商用アプリケーションを実行できるチップは、今世紀末までに登場しません。最初は、量子効果が重要なシステムのシミュレーションが主な用途になるでしょう。

例えば、核融合炉の設計や薬剤・医薬品開発の機能理解、より優れた自動車用バッテリーの開発など、長いリストにわたるタスクに関連しています。”

応用例

量子コンピューティングの可能性は膨大で、事実上すべての科学分野を革命的に変える可能性があります。特に影響力の大きい応用例をいくつか挙げます:

• 生化学モデリング: タンパク質の3次元構造の決定から遺伝子発現、複雑な生体分子の計算まで、バイオテクノロジー研究を革命的に変える可能性があります。
• 気候モデリング: 気候モデルは極めて複雑で、現在のスーパーコンピュータの限界に挑戦しています。より細かい空間・時間スケールでの計算が可能になれば、気候変動リスクの理解に大きく貢献します。
• 半導体: 量子コンピュータは、従来のコンピュータチップをはるかに高性能にするために利用できるでしょう。現在、チップがナノメートルスケールに達するにつれ、量子現象が問題となり、量子コンピュータが必要になる可能性があります。
• 材料科学: 量子物理の理解と原子レベルでの材料反応の把握は、航空宇宙、バッテリー、3Dプリンティング、製造などに新たな素材設計をもたらすでしょう。
• 暗号学: 量子コンピュータは現在の暗号方式をすべて無効化する可能性があり、軍事、金融、ITシステムにとって深刻な懸念です。しかし同時に、暗号をさらに安全にする手段ともなり得ます。

リスク

量子コンピューティングは非常に強力であるため、悪用のリスクも深刻です。最大のリスクは暗号に関するものです。

Google が Willow を発表して以来、複数の評論家が既存の暗号全てを破る可能性がビットコインなどの暗号通貨にとって壊滅的であると議論しています。

理論的には事実ですが、これは短絡的な見方であり、ビットコインの最近の上昇に対する反応が強く影響しています。コンピュータやデジタルシステムの暗号を破ることは、暗号通貨だけでなく、銀行・金融システム全体の安全性と信頼性を同様に損なうことになります。

通信から核発射コードに至るまで安全な暗号に依存しているため、世界的な地政学的安定性や軍事安全にも壊滅的な影響を及ぼします。暗号が完全に破られれば、外国勢力や悪意ある者が安全保障体制を混乱させることが可能になります。

しかし、解決策がないわけではありません。例えば、Apple (AAPL ) は2024年2月に iMessage の暗号化を「量子耐性」にすることで、将来の強力な量子コンピュータによる盗聴を防ぐと発表しました。Apple が量子耐性暗号に切り替えるなら、最大規模の軍事組織や金融機関も同様に導入できると考えられます。

Google のようなリーダー企業が商用量子コンピュータを実現するまでに数年かかることを考えると、壊滅的で差し迫ったリスクはまだ遠いと言えます。

量子コンピューティング企業

ご覧のとおり、Google は量子コンピューティングに非常に積極的で、主に Google Quantum AI ラボとサンタバーバラの Quantum AI キャンパスを通じて活動しています。

Google の量子コンピュータは2019年に歴史的な成果を上げ、Sycamore マシンで「量子優位性」を達成したと主張しました。従来のスーパーコンピュータで1万年かかる計算を200秒で実行しました。

もちろん、これは現在では Willow の性能に比べてはるかに劣ります。

しかし、Google の最大の貢献はソフトウェア分野かもしれません。ここではハードウェア（検索、G Suite、Android など）以上に優れた実績があります。

すでに、Google の Quantum AI は、科学者が量子アルゴリズムを開発するのを支援するソフトウェアスイートを提供しています。

研究者、エンジニア、開発者の皆さんが、オープンソースソフトウェアと教育リソース（Coursera の新コース）を確認し、この旅に参加してほしいです。開発者は量子誤り訂正の基礎を学び、将来の課題を解決するアルゴリズム作成に貢献できます。

このオープンなアプローチとハードウェアでのリーダーシップ、さらにクラウドソリューションにより、Google は量子コンピューティングソフトウェアと量子プログラミングの標準を設定する企業の一つになる可能性が高く、将来の分野の進化を導く特権的な立場を得ています。

そして同時に、Waymo の自動運転車を含む AI ソリューションが、検索と広告業界で圧倒的な支配力を保持し続ける Alphabet (GOOG ) にとって新たな収益源になる可能性があります。