量子コンピューティングの未来はほぼ到来しています。私たちは準備ができているでしょうか?

ニューヨーク州ヨークタウン・ハイツ—コンピューターの未来を予感させる、ある部屋にいる。コンピューター自体は全く威圧感がなく、天井から吊り下げられた金属製のタンクのようだ。しかし、印象的なのはノイズだ。部屋を支配する、規則的に響く金属的な音だ。それは、ハードウェアを絶対零度の限界まで冷却するために設計された冷却システムの音だ。しかも、冷却されているハードウェアは一般的なチップではなく、IBMの量子コンピューティングの真髄なのだ。

2016年、IBMはわずか5量子ビットの量子コンピュータの初期バージョンを一般公開し、大きな話題を呼びました。本格的な計算を行うには量子ビット数が少なすぎましたが、この新技術を使ったプログラミングを実際に体験するには十分すぎるほどでした。IBMは急速な進歩を遂げる中、量子コンピューティング室にタンクを増設し、準備が整った新しいプロセッサを追加しました。量子ビット数を20に増やした際には、50量子ビットのハードウェアを間もなく開発すると楽観的に発表しました。

先日IBMのトーマス・ワトソン研究所を訪問した際、同社の研究者たちははるかに慎重な態度を見せ、約束はしていないこと、50量子ビットのハードウェアは量子コンピューティングの未来への足がかりに過ぎないことを明確にしました。しかし、IBMはこれらの初期の取り組みを中心に構築しているエコシステムのおかげで、未来に貢献できる優位な立場にあると主張しました。

チップの構成要素

IBMは量子ビットに、共振器に接続された超伝導線を用いています。これらはすべてシリコンウエハー上に構築されています。この線とウエハーによって、IBMは回路構築の経験を活かすことができますが、今回の場合、線はニオブとアルミニウムの混合物であり、極低温でも超伝導が可能です。ハードウェア試験室を案内してくれたジェリー・チョウ氏によると、IBMは現在も量子ビットの改良方法の詳細について実験中で、異なる構成や形状を個別またはペアでテストしているとのことです。

共振器はマイクロ波周波数に敏感で、マイクロ波パルスを用いて個々の量子ビットを設定または読み出します。各チップには、外部からのマイクロ波入力を受け取り、それを個々の量子ビットに導く光学素子が搭載されています。マイクロ波自体は特別なものではないため、入力は市販の光学系を用いて生成されます。唯一の課題は、液体ヘリウム冷却タンクの奥深くにあるチップに入力を送ることです。そのためのハードウェアは、極低温に耐えるだけでなく、室温まで温められても耐えなければなりません。（ただし、一度冷却すれば、ハードウェアは交換することなく無期限に動作可能です。）

量子コンピューティングは、これらの量子ビット間のエンタングルメント（量子もつれ）に依存しています。Chow氏はArsに対し、これらの量子ビットのいずれか2つをエンタングルメントするには、それらの共鳴周波数がわずかに異なるという事実を利用できると述べました。量子ビットペアの各メンバーを、そのパートナーの共鳴周波数でアドレス指定すれば、それらをエンタングルメントすることが可能です。そして、ペアの集合をエンタングルメントすることで、より高次のエンタングルメントシステムを構築できます。量子ビットは一度に100マイクロ秒間コヒーレント状態を維持しますが、量子ビットペアのエンタングルメントは約10ナノ秒で完了します。Chow氏によると、チップのエンタングルメントには現在数マイクロ秒しかかからず、システム全体を準備して計算を実行するのに十分な時間を確保できるとのことです。

すべてがこれほど簡単なら、なぜ 50 量子ビットのチップがまだ登場していないのでしょうか?

問題は、量子ビットが環境ノイズに非常に敏感であることです。これはデバイス外部からのノイズである場合もあります（ただし、金属製のタンクがチップをその多くから保護するのに役立ちます）。しかし、内部からもノイズが来る可能性があります。冷却システム、マイクロ波ケーブル、そしてチップの部品自体が量子ビットと相互作用する可能性があります。そして、いかなる種類の相互作用も計算にとって壊滅的な影響を与えます。

つまり、チップのアーキテクチャに何か変更を加えると、たとえ量子ビットを1つ追加するだけでも、チップが計算を実行する際のエラーの頻度や種類が変化する可能性があるということです。IBMはチップを製造する前に、この問題を抑えるために広範なモデリングを行っていますが、ある程度は経験に基づいた反復的なプロセス、つまりチップを使って何が起こるかを確認するプロセスです。「量子ビットを増やすことで、ノイズやクロストークの原因を特定しやすくなります」とチョウ氏は述べています。

量子ビットの制御と読み出しを行うマイクロ波システムの研究者の一人、サラ・シェルドン氏も、この意見に同調した。「個々のコンポーネントの特性を評価するための優れたツールはありますが、デバイス全体を効率的に評価する手段はありません」とシェルドン氏は述べた。「システムが大きくなるにつれて、1つの量子ビットの制御が他の場所でエラーを引き起こす可能性がある状況に直面します。」さらに彼女は、「これらのデバイスを従来の方法でシミュレートできない限界に近づいています。正常に動作しているかどうかをどうやって判断するのでしょうか？」と付け加えた。

優位性か量か？

量子コンピュータの背後にある考え方は、特定の種類の計算を通常のコンピュータよりも劇的に高速に実行することです。十分な数の量子ビットがあれば、量子コンピュータは従来のコンピュータでは宇宙の誕生よりも長い時間を要する問題を解くことができます。量子コンピュータがこのような能力を持つ状態は「量子超越性」と呼ばれています。そして、Googleは今週、量子コンピューティングへの取り組みに関する発表において、この概念に明確に言及しました。

もちろん、Googleは量子超越性の概念を、許容可能なエラー率（従来のコンピュータでは許容されないレベル）という観点から説明しました。一方、IBMはエラー訂正量子ビットを開発しています。残念ながら、これらは動作するためにさらに数個の量子ビットを必要とします。この取り組みを担当するIBM副社長のボブ・スーター氏は、数百個のエラー訂正量子ビットを持つ量子コンピュータは、最終的には動作するために数千個の量子ビットが必要になるだろうと示唆しました。

覚えておいてください、彼らは現在もまだ50個の誤り訂正機能のない量子ビットに取り組んでいます。量子超越性はすぐには実現できないでしょう。

代わりにIBMは、「量子ボリューム」という観点から考え始めることを提案しています。これは、計算に使用される量子ビットの数と、マシン上で実行される計算のエラー率を組み合わせた指標です。量子ボリュームがあれば、IBMのマシンとGoogleが今週発表したマシンを有意義に比較できるようになります。ただし、どちらのマシンがどれほど有用であるかはわかりません。

そして、ある程度、その答えは「場合による」です。場合によっては、エラーへの対処は簡単です。例えば、大きな数を素因数分解すると、従来のコンピュータでほぼ瞬時に検証できる結果が得られます。しかし、エラーによって計算結果が信頼できなくなり、問題を特定するのが容易ではない場合もあります。つまり、現在のコンピュータは、私たちをやや奇妙な状況に置き去りにしているのです。「従来の方法では動作を予測できないものの、完全なフォールトトレランスを備えていないものを作ることは可能です」と、IBMの量子コンピューティングおよび情報理論グループのマネージャー、ジェイ・ガンベッタ氏は述べています。「これらのコンピュータを使って何が計算できるのか、私たちにはわかりません。」

彼は、多くの古典的計算アルゴリズムは最初に開発され、後になって初めてその効率性が証明されたと指摘した。対照的に、量子アルゴリズムのほとんどについては、いかなる証明も困難である。

単純に統計的な方法、つまりアルゴリズムを複数回実行し（量子加速の一部または全部を打ち消す可能性もある）、多数決をとることも可能です。しかし、IBMはこれに対し、一般の人々に自社のコンピューターを試用してもらうという対応をとってきました。現状のままで何かの用途に役立つのであれば、誰かがそれを解明する可能性はあるでしょう。

QC用SDK

極低温の液体ヘリウムを生成するためのインフラを必要とし、既存のソフトウェアを一切動かすこともできないマシンに、一般の人々をどうやって巻き込めばいいのだろうか？その答えの一部は、計算室の片隅に、より伝統的なPowerベースのサーバーという形で存在していた。このサーバーは、量子ハードウェアのテストに参加登録した人々から送られてくるジョブを受け付けている。参加メンバーは、大手金融機関からコンピュータサイエンスのコースを受講する学生まで多岐にわたる。

しかしIBMは、答えのもう1つの側面、つまりQISKitと呼ばれる高水準SDKに頼っている。制御システム設計者のサラ・シェルドン氏によると、システムのマイクロ波パルスは、任意波形発生器、ミキサー、増幅器の集合体に依存している。しかしQISKitは、システムユーザーのためにこれらすべての詳細を抽象化している。QISKitは、個々の量子ビットの初期状態とその接続をレイアウトすることを可能にし、一種の量子コンパイラであるソフトウェアが、それを動作に必要な光パルスの集合体に変換する。「マイクロ波パルスを見ることは決してないでしょう」とジェイ・ガンベッタ氏は約束した。

レイアウトプロセスはすべて Python で行われるため、既存のスキルを活用できます。

アクセシビリティを高めることはユーザーを奨励する上で大きな役割を果たしますが、その成功はIBMにコミュニティ管理という課題を残しました。ガンベッタ氏は、QISKitとその基盤となるコンパイラーは、機能的な機能を提供することに重点を置いてリリースされたことを強く示唆しました。彼は、システムがユーザーからの貢献を組み込めるように、チームがよりモジュール化を進める必要があると述べました。彼によると、チームには実際に処理できる以上のコードが貢献されているとのことです。ガンベッタ氏はまた、高速フーリエ変換の実装などが幅広い問題の解決に役立つことが証明されていることに言及し、コードライブラリに相当するものを見始めたいと述べました。

リスト画像: ジョン・ティマー