量子超越性とは？ー1万年かかる計算を200秒で解く未来

量子システムの概念は、1980年にロシアの数学者ユーリ・マニンによって最初に提案されました。しかし、量子コンピュータの可能性を考案したのは、1980年代初頭、リチャード・ファインマンでした。

 

ファインマンは、量子コンピュータが化学と物理学の問題を解決するのに効果的であると提案しました。今日のコンピュータは、ブール理論を使用してタスクを実行しますが、量子力学のルールを使用すると、多くの複雑な計算タスクが実行可能になります。

 

2012年、アメリカの理論物理学者ジョン・プレスキルは、古典的なコンピュータよりもはるかに高度なシステムを表現するため「量子超越性」という用語を造語しました。それはNISQ(Noisy Intermediate-Scale Quantum technology(ノイズあり中規模量子))時代を告げるものでした。

 

この概要記事では、「量子超越性」がどのような違いをもたらすのか、テクノロジー企業がこれまでに達成したこと、またなぜこれほど大きな取引になるのかについて説明します。

まずは量子超越性とは何か、基本から見ていきましょう。

 

量子超越性とは何なのか？

量子超越性は、古典的なコンピュータでは実用的な時間で解決することのできない問題を解決する量子コンピューティングシステムの構築を目標としています。

 

これには、強力な量子マシンを開発するためのエンジニアリングタスクや、その量子コンピュータで解決することができる計算問題を分類するための計算複雑性理論上のタスクが含まれます。

 

量子超越性は、より強力で有用な計算への道の重要なステップです。量子超越性を実証するためにいくつかの提案がなされてきました。最も注目すべきものは次のとおりです。

 

・ランダム量子回路の出力のサンプリング

・D-Waveによって設計されたフラストレーテッドクラスターループ問題

・アーロンソンとアルヒホプのボンソンサンプリング提案

 

量子超越性が達成されたことを確かめるには?

量子超越性の検証は、最も難しい作業の一つです。核爆発やロケット発射のようなものではなく、それを見て成功したかどうかを即座に知ることができます。

 

量子超越性を検証するには、次の2つのことを正確に実証する必要があります。

 

１．量子デバイスが計算を高速で実行すること

２．古典的なコンピュータでは同じ計算を効率的に実行できないこと

 

2番目のものは非常に複雑です。古典的コンピュータは、特定の種類の問題を非常に効率的に実行できることが分かりました。（科学者の予想よりも良いものでした。）古典的コンピュータが特定のタスクを効率的に実行できないことが証明されるまで、より効率的で、より古典的なアルゴリズムが存在する可能性は常にあります。そのような古典アルゴリズムはないことを証明することは物議を醸す可能性があり、また多くの時間が必要です。

 

量子コンピュータを作る戦い

 

量子デバイスは数年前から行われていますが、特定の条件下でのみ古典コンピュータよりも優れたパフォーマンスを発揮します。これらの量子マシンによって実行されるタスクのほとんどは、日常生活で使用することすらできません。

 

2016年、Googleは9量子ビットの量子チップを使用して、水素分子の完全に拡大可能な量子シミュレーションを開発しました。2017年には、Intelは量子コンピューティングの17量子ビットの超伝導テストチップを製造し、IBMはその量子状態を90マイクロ秒保持できる50量子ビットチップで基準を引き上げました。

2018年には、Googleは72量子ビットの量子プロセッサ「Bristlecone」を発表し、IBMは世界初の回路型商用量子コンピュータ「IBM Q System ONE」を発表しました。

 

カナダの量子コンピューティングシステム会社のD-Wave Systemsは依然として例外です。2015年、同社の1000量子ビットを超える２X量子コンピュータがNASAの量子人工知能研究所に設置されました。同社はまた、2048量子ビットのサブシークエンス出荷システムをもっています。D-Waveのデバイスは、量子アニーリングと呼ばれる代替テクノロジーに依存した特化型の量子マシンです。

 

Googleの重大発表

2019年の終わり、Googleの研究者たちは突然、量子超越性を達成したと発表しました。彼らは、200秒で目標の計算（ランダムサンプリング計算）を実行することができる「Sycamore」という54量子ビットプロセッサを開発しました。

 

研究チームによると、古典的なスーパーコンピュータでは同じ計算を実行するのに1万年かかると推定されます。この速度の大幅な向上（古典的なアルゴリズムと比較して）は、この特定のタスクの量子超越性を実験的に実現したものです。

 

彼らは何をしたのか？

量子超越性を実演するために、Googleは「ランダム量子回路サンプリング」と呼ばれる特定の問題を解決することにしました。この問題を簡単に言うと、平等なサイコロの目をシミュレートするというプログラムです。

 

プログラムは、考えられるすべての結果から適切にサンプリングされる場合、正確に実行されます。これは、プログラムが繰り返し実行されるとき、1/6回のサイコロ上の各数字を生成する必要があることを意味します。

 

実際のシナリオでは、コンピュータはサイコロを振る代わりにランダム量子回路のすべての可能な出力から適切にサンプリングする必要があります。この一連のアクションは、一連の量子ビットで実行されます。量子ビットが回路を通過すると、その状態は絡み合います（量子重ね合わせとも呼ばれます）。

 

例えば、回路が54量子ビットに作用する場合、54量子ビットは回路の最後で254つの可能な状態で重ね合わせになります。これは、254つの可能性が54量子ビットの1つの文字列に折りたたまれることを意味します。サイコロを振るようなものですが、6回の出力結果の代わりに254の結果が得られ、すべてが同じように起こるわけではありません。

 

このランダム回路からの一連のサンプル（適切な分布に従ったもの）は、量子コンピュータで効率的に生成できます。しかし、これらのサンプルを生成する古典的なアルゴリズムは最先端のスーパーコンピュータにはありません。したがって、サンプル数が増えると、デジタルスーパーコンピュータは急速に計算に圧倒されてしまいます。

 

この実験では、Googleの研究者たちはゲートサイクル（量子理論ゲート）の数を一定にした状態で12～53量子ビットのランダムで単純な回路を実行しました。その後、量子コンピュータのパフォーマンスを古典的なシミュレーションで確認しながら、理論上なモデルと比較しました。

 

システムが正常に動作することが確認できた後、53量子ビットでランダムで複雑な回路を作成し、古典的なシミュレーションが不可能になるまでゲートサイクルを増やしました。

 

この実験は、完全にプログラム可能な54量子ビットチップSycamoreで実行されました。各量子ビットは他の4つの量子ビットに接続された２次元グリップで構成されています。つまりチップには十分な接続性があるため（量子ビットの状態はプロセッサ全体に迅速に影響し合います）、古典的なコンピュータで同じ計算を行うことは不可能です。

 

このレベルのパフォーマンスを達成するために、複数接続された量子システムのエラーを大幅に減らして、近くの量子間の相互作用をオフにできる新しい種類のコントロール・ノブを使用しました。彼らはまた、クロストークを低減するためのチップデザインを最適化するとともに、量子ビットの欠陥を避けるための新しいコントロールキャリブレーションを開発し、量子チップのパフォーマンスをより向上させました。

 

Googleは本当に量子超越性を達成したのか？

Googleは、量子超越性を達成し、古典的スーパーコンピュータは同等のタスクを実行するのに約1万年かかると主張しましたが、IBMは同じタスクの理想的なシミュレーションは古典的コンピュータで2.5日で実行可能であるとしてこの主張に反論しました。

 

Googleの実験は、量子デバイスが古典コンピュータよりも「超越」であるという証明と見なされるべきではありません。しかし、超伝導量子コンピューティングの進歩を完全に示しており、53量子ビットシステムで最先端のゲートのフィデリティ（忠実度：量子回路の計算の正しさ）を明らかにしています。

 

「量子超越性の達成」のバリエーションを含む見出しは一目を引くものであり、読むのが興味深いものですが、一般の人々を完全に誤解させてしまいます。

 

量子超越性の定義によると、目的は達成されていません。また誰かが今後それを実証したとしても、量子コンピュータは古典コンピュータよりも「超越」したものでは決してないでしょう。そうではなく、量子システムはそれぞれに独自の長所と利点があるため、古典コンピュータと一緒に動作します。

 

ネーミング論争

一部の科学者は、「量子超越性」という用語に同意していません。彼らの観点では、「supremacy」という言葉は、「white supremacy (白人至上主義)」との関連に通じて、暴力、新植民地主義、人種差別のニュアンスを持っていると主張します。彼らは、代わりに「advantage(アドバンテージ)」を使うべきだと提案しました。

 

しかし、このフレーズを思いついたジョン・プレスキルは、量子法に基づく情報技術が優勢である歴史上、特権的な時期であることを強調したいと主張しました。彼はまた、「量子超越性」が彼が伝えたかったポイントを最もよく捉えていると説明しました。つまり、「advantage」などの他の言葉は「supremacy」のパンチを欠いています。

 

アプリケーションと今後

 

量子コンピューティングの最近の進歩は、まったく新しい世代のコンピュータ科学者や物理学者に、情報技術の側面を根本的に変えるきっかけとなっています。

 

現在、科学者たちは計算エラーをリアルタイムで修正できるフォールトトレラント量子マシンに取り組んでおり、エラーのない量子計算を可能にしています。量子コンピューティングの現在の最先端を考慮すると、このゴールは現実するのは数年先になりそうです。

 

テクノロジー企業は、フォールトトレラントな量子デバイスを可能な限り迅速に開発しようと数億ドルを投資しています。しかし大きな疑問は、量子マシンが有効なタスクを実行する前にフォールトトレラントである必要があるかどうかです。

 

このようなマシンは、さまざまな価値のあるアプリケーションを約束します、例えば、量子コンピューティングは天気予報を改善し、サイバーセキュリティを強化し、飛行機や車両の軽量バッテリー用の新しい材料の設計に役立ちます。個々の分子を正確にマッピングすることができ、その結果製薬研究の機会が開かれる可能性も秘めています。

 

また、銀行セクターにも大きな影響を与える可能性があります。量子コンピューティングは投資戦略の最適化に関連した財政上の問題処理に役立つかもしれません。膨大な数のポートフォリオの組み合わせを分析し、最適な基準を把握したり、不正な取引を認知します。

 

現在、非常に限られた一連のタスクでのみテストされているため、どの業界の量子コンピューティングが最も影響を与えるかを予測するのは困難です。量子時代の素晴らしさを十分に理解するには、数年（あるいは数十年）待たなければならないでしょう。