量子コンピューティングが無条件の指数的スピードアップを実現

以前は紙上でしか表現されていなかったことが、実際に実証されました。 量子コンピューティングの約束は現実のものとなり、彼らは古典コンピュータを指数的かつ無条件に上回りました¹。

このため、米国南カリフォルニア大学（USC）ビタービ工学部の電気・計算工学教授であるダニエル・リダー率いる研究チームは、巧妙な誤り訂正とIBMの強力な127量子ビットプロセッサを用いて、サイモン問題の変種に取り組み、量子マシンが古典的な制限から脱却しつつあることを実証しました。

量子コンピューティングが古典的限界とノイズを克服する方法

何十年もの間、古典コンピューティングが標準でした。しかし近年、量子コンピューティングは大きな進展を遂げました。 

コンピュータサイエンスの新興分野である量子コンピューティングは、量子理論の原理（原子・亜原子レベルでの物質とエネルギーの性質と挙動を説明する）を利用し、計算速度を劇的に向上させます。

量子物理学を用いて、量子コンピューティングは日常的に使用する古典コンピュータでは解決できないほど複雑な問題を解くことを目指します。実際、量子コンピューティングは、従来のスーパーコンピュータでも数十万年かかるような複雑なシミュレーション問題を解くことができます。

古典コンピュータに対して真のアルゴリズム的優位性を達成することは、化学、暗号学、最適化、その他の分野で将来的なブレークスルーを可能にするための量子コンピューティングの主要な目標の一つです。

しかし、これには重ね合わせやエンタングルメントといった量子特性を活かす専門的な量子コンピューティングハードウェアとアルゴリズムが必要です。また、ノイズは量子コンピュータにとって大きな課題です。

さらに、現在の不完全でノイズの多い量子ハードウェア上で古典コンピュータに対するアルゴリズム的優位性を証明することは依然として課題です。

設計者はNISQマシンのような新しい解決策を模索し始めましたが、これらのノイズが多い中規模量子（NISQ）デバイスは、数百量子ビットという比較的小規模でしか機能しません。

さらに、デコヒーレンス（量子コヒーレンスの喪失で、システムの情報が環境に失われること）や制御エラーにより、性能が低下しやすくなります。

したがって、これらのデバイス上でアルゴリズム的量子を高速化することに焦点が当てられていますが、これは単にスケーリング上の優位性です。いくつかの実証は行われましたが、選択された問題の複雑さは、限定された古典アルゴリズムの難しさや計算複雑性の仮説に依存していました。

最近、未証明の仮定に依存しないアルゴリズム的量子スピードアップがオラクルモデルで示されました。これは、IBM Quantumプロセッサ上で動的デカップリング（DD）というNISQデバイス向けの一般的なエラー抑制技術により不要なノイズを除去した際に観測された、Bernstein-Vaziraniアルゴリズムで示されました。

現在、南カリフォルニア大学の研究チームは、サイモン問題の変種を実装することでノイズ問題に取り組んでいます。これは、理論上、量子アルゴリズムが古典アルゴリズムに比べてタスクを指数的に速く、しかも無条件に解くことができることが知られた例です。

サイモン問題は、量子コンピューティングの分野を切り開くことができるショアのアルゴリズムの前身です。

また、オラクルモデルで指数的な量子スピードアップが証明された元々の問題の一つでもあります。この問題は古典コンピュータでは指数時間が必要ですが、ノイズのない量子コンピュータではオラクルクエリ数をカウントすれば線形時間で解けます（実行に要するリソースは考慮しません）。

この問題では、アーベル隠れ部分群は単位元と秘密文字列bを含み、目的はbを特定することです。つまり、数学的関数に隠された繰り返しパターンを見つけることに相当します。

簡単に言えば、プレイヤーがゲームの司会者（すなわち「オラクル」）だけが知る秘密の数字を当てようとする推測ゲームのようなものです。

オラクルからの回答が同一になる2つの数字をプレイヤーが当てた時に、秘密の数字が明らかになり、そのプレイヤーが勝利します。古典的なプレイヤーに比べ、量子プレイヤーはこのゲームに指数的に速く勝つことができます。 

無条件の量子スピードアップの実現

計算速度を上げた量子コンピュータの助けで新素材の発見、暗号の解読、そして新薬の設計を真に実現するには、量子コンピュータが実用的である必要があります。

しかし、前述したようにノイズやエラーが障壁となります。量子マシンでの計算中に生じるエラーは、量子コンピュータを古典コンピュータよりもさらに弱くしてしまいます。これが今までの状況でした。

USCのリダーは量子誤り訂正に取り組んでおり、クラウド上で量子の指数的スケーリング優位性を示しました。

このことは、リダーがUSCとジョンズ・ホプキンス大学の共同研究者と共著した『アーベル隠れ部分群問題に対するアルゴリズム的量子スピードアップの実証』という論文で詳述されています。

“これまでにも多項式的スピードアップのような控えめなタイプの実証はありましたが、指数的スピードアップは量子コンピュータから期待できる最も劇的なスピードアップです。”

– Lidar

リダーによれば、量子コンピューティングの主なブレークスルーは、従来のコンピュータに対してスケーリングスピードアップを伴う全アルゴリズムを実行できることを実証した点です。ただし、彼が明確にしたように、これは100倍速くできるという意味ではありません。

しかし、スケーリングスピードアップとは、「問題のサイズを変数を増やすことで拡大させると、量子と古典の性能差が拡大し続けること」を意味します。そして、指数的スピードアップとは、変数が1つ増えるごとに性能差がほぼ2倍になることだと、リダーは説明しています。

彼は続いて、チームが示したスピードアップは“無条件”であると述べました。これは、スピードアップが未証明の仮定に依存しないことを意味します。

以前のスピードアップの主張は、量子アルゴリズムと比較するより優れた古典アルゴリズムが存在しないという仮定が必要でした。

このチームは、量子コンピュータ用に改良したアルゴリズムを用いて“サイモン問題”の変種を解きました。

指数的スピードアップを実現するために、“ハードウェアから可能な限りの性能を引き出すこと、すなわち回路を短くし、パルスシーケンスを賢くし、統計的エラー緩和を行うこと”が鍵であると、USCの博士課程研究者で第一著者のPhattharaporn Singkanipaは述べています。

チームはこれを4つの方法で達成しました。研究者はまず、許容される秘密数字の数を制限することでデータ入力を限定しました。技術的には、秘密数字集合の二進表現における1の数を制限することで実現します。これにより、必要な量子論理操作が減少し、エラー蓄積の可能性が低減しました。

次に、特定の量子デバイスのトポロジーに合わせて入力を書き換えるトランスパイルというプロセスを通じて、必要な量子論理操作を圧縮しました。

次に、“動的デカップリング”と呼ばれる手法を適用し、量子スピードアップの実証に最も大きな影響を与えました。この手法は、精密に設計されたパルス列を適用して量子ビットの挙動をノイズ環境から切り離し、量子処理を正しく進めることを目的としています。

最後に、研究者は測定エラー緩和（MEM）を適用し、特定のエラーを検出・修正しました。このステップの目的は、アルゴリズムの最後に量子ビットの状態を測定する際の不完全さにより動的デカップリングで残ったエラーを是正することです。

量子ユーティリティへの道を切り開く

量子コンピューティングは、量子力学的現象を活用して複雑な問題を解くことで、物流、材料科学、金融モデリング、AI、サイバーセキュリティなどの分野で大きな利点を提供し、市場は顕著な貢献と成長を見せています。

コミュニティは、量子プロセッサが特定のタスクで古典プロセッサを上回る方法を示し始めています。

「我々の結果は、現在の量子コンピュータが確実にスケーリング量子優位性の側にあることを示しています」と、USCドーンサイフ・カレッジの化学・物理学教授であり、量子ユーティリティを大規模に実現しユーザーと量子コンピュータをつなぐ企業Quantum Elementsの共同創業者でもあるリダーは述べました。

数か月前、Quantum Elementsチームは画期的な成果を報告しました。彼らの新手法である論理的動的デカップリングは、量子コンピューティングにおける恒常的な課題である論理エラーに取り組みます。

チームは、この特定の手法が従来の誤り訂正コードでは対処できないエラーを防ぎつつ、量子ビットの規模を限定できることを実証しました。

彼らは誤り訂正と論理的動的デカップリングを組み合わせ、エンタングルド論理量子ビットの忠実度を大幅に向上させ、実用的な量子応用を現実に近づけました。

最新の研究において、リダーは「量子性能の優位性はますます争いようがなくなってきている」と述べました。実証された指数的スピードアップが“無条件”であるため、性能差は逆転できません。

この研究は、2つの異なるIBM Quantumプロセッサを用いた制限されたハミング重み（HW）版問題に対し、明確なアルゴリズム的量子スピードアップを示しています。計算がDDで保護されると量子スピードアップが向上し、MEMの使用によりスケーリング優位性がさらに強化されました。

MEMと動的デカップリングはエラー抑制に使用され、実際の量子デバイスに合わせて問題を適応させました。これらはハードウェアの制限がある中でも量子コヒーレンスを維持し、精度を向上させました。

実験により、研究者はNISQアルゴリズムをショアのアルゴリズムによる量子スピードアップの実証にさらに近づけ、量子エラー抑制技術がその実証で果たす重要な役割を強調しました。

研究者によれば、実際の量子ハードウェア上で問題を解く際に指数的スピードアップを実証することは「分野にとって重要なマイルストーン」です。理論と実践のギャップを埋めるだけでなく、現在の量子プロセッサの能力が向上していることも示しています。研究は次のように述べています：

「ハードウェアが継続的に改善されるにつれ、我々のアプローチは近い将来、より強力な量子優位性の実証への道を切り開きます。」

これらにもかかわらず、技術の実用的な応用は推測ゲームでの勝利以外にはありません。これは他の分野の進展でも同様に当てはまります。

「量子にとってChatGPT的な瞬間が必要です」と、VCファームRuna Capitalのアソシエイトであるフランチェスコ・リチューティは、Googleが量子コンピューティングにおける大きなブレークスルーと称する新チップを発表した12月にCNBCに語りました。

Googleの量子チップはWillowと呼ばれ、105量子ビットを持ち、量子ビット数が増えるにつれてエラーを“指数的に”削減できると報告されています。この“30年近く追求されてきた量子誤り訂正の重要課題を突破した”と、Google Quantum AIの創設者ハートムト・ネーベンは述べました。

Willowは、現在の最速スーパーコンピュータで10兆兆年かかる計算を5分未満で実行しました。

「彼らは通常のコンピュータでは非常に高い問題を定義し、量子コンピュータで解くことを試みています。これができるのは驚くべきことですが、実際に有用であるとは限りません」とリチューティは当時述べました。

Googleさえも、同社のRCSベンチマークは“既知の実世界の応用はない”と述べ、彼らが行った“科学的に興味深い量子システムのシミュレーション”は新たな科学的発見につながったものの、“依然として古典コンピュータの範囲内”であるとしています。

しかし、このテックジャイアントは、古典コンピュータの手が届かないだけでなく、“実世界の商業的に重要な問題に有用”なアルゴリズムの領域に踏み込むべく取り組んでいます。

今年初め、Google Quantum AIのハードウェアディレクターであるジュリアン・ケリーは、量子コンピュータでしか解けない実用的な応用が“約5年後に本格的に実現する可能性がある”と述べました。

Nvidia (NVDA ) のCEO、ジェンセン・ホアンは量子コンピューティングが“驚異的なインパクトをもたらす”と信じていますが、技術は“極めて複雑”であると指摘しました。

リダーによれば、“量子コンピュータが実用的な実世界の問題を解決したと主張できるまでには、まだ多くの作業が残っています”。それには、事前に答えを知っているオラクルに依存しないスピードアップが必要です。さらに、デコヒーレンスとノイズをさらに低減する手法の大幅な進展が求められます。

それでも、以前は“紙上の約束”に過ぎなかった指数的スピードアップを実証したことで、研究者は重要なマイルストーンを達成し、祝う価値があります。

量子技術への投資

量子コンピュータが計算能力の大きな飛躍を示す中、世界中の多数の研究所、大学、企業、政府機関が量子コンピューティング技術を開発しています。

したがって、投資機会については、Amazon (AMZN ) 、Intel (INTC ) 、Microsoft (MSFT ) などが積極的にこの分野を探っていますが、今回は量子ハードウェアの先駆者であるIBMの投資可能性に注目します。

International Business Machines Corporation (IBM )

IBMの127量子ビットプロセッサはUSCの実験で使用されました。2021年11月に初めてこのプロセッサ「Eagle」を発表し、2020年に発売された65量子ビットの「Hummingbird」プロセッサ、さらにその1年前に発売された27量子ビットの「Falcon」プロセッサに続くものです。

USCは実際にIBM Quantum Innovation Centerであり、Quantum ElementsはIBM Quantum Networkのスタートアップです。

この分野での集中した取り組みとして、同社は専用プラットフォームIBM Quantumを持ち、初の大規模フォールトトレラント量子コンピュータの構築を目指しています。テックジャイアントは2029年までに200論理量子ビット上で1億回のゲートを正確に実行できるシステムを提供することを目指しており、このシステムによりIBMは“量子コンピューティングの完全な力を実現する最初の実行可能な道筋を開く”ことになります。

IBMはニューヨークキャンパスで“Starling”と呼ばれる量子コンピュータを構築しており、深いエラー訂正回路をサポートします。ロードマップによれば、同社は今年後半に新しいIBM Quantum Nighthawkプロセッサのリリースも計画しています。

先月、同社は日本の研究センターにQuantum System Twoを導入しました。そして今週、テックジャイアントはスタートアップQedmaの2600万ドルの資金調達ラウンドに参加し、CEOは今年“量子優位性がここにあるという確信を持って”実証すると期待しています。QedmaはすでにIBMのQiskit Functions Catalogを通じて利用可能で、エンドユーザーが量子にアクセスできるようにしています。

量子技術をリードしつつ、同社は主にクラウド、AI、コンサルティングの専門知識で知られており、Software、Consulting、Infrastructureの各セグメントを通じて提供しています。

IBMの市場パフォーマンスを見ると、時価総額2686億ドルの同社株は執筆時点で289ドルで取引され、年初来で30.85%上昇しています。過去3年間で株価は145%上昇し、新たな高値を付け、同社は次世代エンタープライズ技術の提供者として自らを位置付けています。

EPS（TTM）は5.85、P/E（TTM）は49.81、ROE（TTM）は21.95%です。また、株主に提供される配当利回りは魅力的な2.31%です。

財務パフォーマンスについて、IBMは2025年第一四半期の売上高が1%増の145億ドルと報告しました。GAAPベースの粗利益率は55.2%、非GAAPベースは56.6%でした。営業活動による純現金は44億ドル、フリーキャッシュフローは20億ドルでした。

CEOのアルヴィンド・クリシュナは、売上、収益性、フリーキャッシュフローが期待を上回ったことを“生成AIへの強い需要”に起因するとし、IBMは“テクノロジーと世界経済の長期的成長機会に対して楽観的”であると述べました。

最新のIBM株ニュースと動向

結論

問題の規模に応じてスケールするアルゴリズム的量子スピードアップを実証することは、量子コンピュータの有用性を確立する鍵です。したがって、無条件の指数的スピードアップの実証は量子コンピューティングにおける画期的な瞬間であり、今日のデバイスが古典的限界から脱却できることを証明しています。 

研究者によるこの成果は、オラクルアルゴリズムに対する量子スピードアップの範囲を大幅に拡大し、実証的量子優位性の最前線を広げ、実用的に関連するアルゴリズムがついに手の届く範囲にあることを示しています。

全体として、量子コンピュータが実用的で日常的な応用へと進む旅はまだ続いており、量子技術の完全な力を解き放つための継続的な改良が進められています！

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参照文献：

1. Singkanipa, P.; Kasatkin, V.; Zhou, Z.; Quiroz, G.; Lidar, D. A. アーベル隠れ部分群問題に対するアルゴリズム的量子スピードアップの実証. Phys. Rev. X 2025, 15 (2), 021082. https://doi.org/10.1103/PhysRevX.15.021082
2. Vezvaee, A.; Tripathi, V.; Morford-Oberst, M.; Butt, F.; Kasatkin, V.; Lidar, D. A. トランスモンを用いた高忠実度エンタングルド論理量子ビットの実証. arXiv 2025, arXiv:2503.14472. https://doi.org/10.48550/arXiv.2503.14472