量子コンピュータは本当に存在するのか？今のところ、不確定性原理が主流となっている
本格的な量子コンピュータはすでに存在しているのでしょうか、それとも実現まで10年かかるのでしょうか？ サッカー場くらいの大きさになるのでしょうか？ データセンターのキャビネットくらいでしょうか？ 電子レンジくらいでしょうか？
量子コンピューティングの探求に携わるコンピュータ科学者と話せば話すほど、答えは不確かなものになるようだ。これは、箱を開けるまでは死んでいるようでいて生きている、という典型的なシュレーディンガーの猫の裏返しだ。量子コンピュータは、すでに生きているとも、まだ生まれていないとも言える。
例えば、マイクロソフトは、10年というタイムスケールで実現すると期待されている、特殊な技術をベースにしたフルスタック量子コンピュータの開発に取り組んでいます。メリーランド州に拠点を置くIonQは、2019年から量子システムを商用化しており、来年にはワシントン州ボセルの研究・製造施設で次世代量子コンピュータの製造を開始する予定です。一方、ブリティッシュコロンビア州バンクーバー近郊に本社を置くD-Wave Systemsは、10年以上にわたり量子ハードウェアを販売しています。
では、量子コンピュータは本格的な実用化に向けて準備が整っているのでしょうか？研究者たちは、まだその段階ではないと述べており、開発のタイムラインは不透明です。量子コンピュータをどのように定義し、どのような種類の問題を処理できると期待するかによって、状況は大きく変わります。
「こうした推定値を出すのは常に微妙な問題です。IonQであれ、マイクロソフトであれ、あるいは他の実験プラットフォームであれ、機能する論理量子ビットを実験的に実証した者はいないからです」と量子システムを専門とするワシントン大学の工学教授、ラフル・トリベディ氏は言う。
皮肉なことに、あるいは当然のことながら、量子ノイズは不確実性に大きな役割を果たしている。「こうした推定の多くはノイズモデルに基づいて行われています」とトリベディ氏は述べた。「人々はそれが有効だと信じており、実験を非常にうまく説明できます。しかし、実験の規模を拡大し、ノイズモデルの欠陥を見つけ出し、それを更新していくと、これらの数値はすべて非常に急速に変化し続けるのです。」
量子ビットに関する質問
1 と 0 のよく理解された操作に依存する従来のコンピューティング手法とは対照的に、量子コンピューティングは量子物理学の奇妙な特性に基づいています。量子ビットとも呼ばれる単一の量子ビットは、結果が読み取られるまで複数の値を表すことができます。
マイクロソフト、グーグル、IBM、インテルといった大手テクノロジー企業は、超伝導回路を利用して量子ビットを生成しようと試みている。一方、IonQやQuantinuumといった企業は、代わりにトラップイオンを利用している。D-Waveは、量子アニーリングと呼ばれる異なるアプローチを採用しており、これは量子手法を特殊な問題に適用するものだ。
プロセッサに含まれる量子ビットの数は、量子研究の進歩を測る指標としてしばしば用いられます。例えば昨年11月、IBMは433量子ビットのプロセッサ「Osprey」を開発し、2025年までに4,000量子ビットを超えることを目標としていると発表しました。
しかし、研究者たちは、量子計算の原材料である物理量子ビットと、そのような計算のための信頼性の高い構成要素である論理量子ビットを区別しています。量子システムは本質的にノイズが多く、エラーが発生する可能性があるため、フォールトトレラントな量子コンピュータ用の論理量子ビットを1つ構築するには、最大1,000個の物理量子ビットを組み合わせる必要がある場合があります。
マイクロソフトのチームは、量子コンピュータがエラーを訂正し、解決する価値のある問題を優位に解決するには、100万個の物理量子ビットが必要になると見積もっています。これが、マイクロソフトが量子ビットに超伝導ナノワイヤを採用している理由です。
「出発点として、100万個の物理量子ビットについて話しています。100万個です」と、マイクロソフトの先端量子開発担当バイスプレジデント、クリスタ・スヴォア氏は先週のNorthwest Quantum Nexus Summitで述べた。「ですから、量子ビットのサイズが適切でなければ、最終的にはフットボール場ほどの大きさになってしまう可能性があります。」
IonQ CEO のピーター・チャップマン氏は、量子ビットの問題について異なる見解を持っています。
「たとえ100万量子ビットを持っていたとしても、エラー率は必ず存在します」と彼は先週のサミットでGeekWireに語った。「つまり、実行するプログラムのサイズは量子ビットの数によって決まるのではなく、ゲートの忠実度によって決まるのです。」
チャップマン氏は、マイクロソフトをはじめとする超伝導回路に依存している企業は、単一の物理量子ビットで達成できる忠実度のレベルが頭打ちになっており、エラー訂正のために多数の物理量子ビットを使わざるを得なくなっていると主張した。同氏は、IonQのトラップイオンシステムはゲート忠実度が高いため、少ないリソースでより多くのことを実現できると述べた。
たとえば、IonQ の量子コンピューティング システムは、32 個のトラップイオン物理量子ビットを使用して 25 個のアルゴリズム量子ビットを作成します。これは IonQ によって作成された尺度であり、論理量子ビットとほぼ同等のように見えますが、異なる式を使用して計算されます。
チャップマン氏は、将来の世代のコンピューターではこの数字がさらに増加すると述べた。サミットで示されたスライドの1つによると、IonQは2025年に64個のアルゴリズム量子ビット、2028年には1,024個のアルゴリズム量子ビットを目指しているという。
IonQのコンピューターは、クラウドコンピューティングのデータセンターで見かけるようなキャビネットとほぼ同じ大きさです。チャップマン氏によると、同社のボセル事業部では、より幅広い市場をターゲットとしたコンピューターを製造していくとのことです。
「シアトルの目標の一つは、エンドユーザー向けの製品をもっと多く生産することです。ここでのエンドユーザーとは、おそらく大学や政府機関でしょう」と彼は言った。「残念ながら、退屈なサーバーになってしまうでしょう。」
量子：それは何の役に立つのでしょうか？
そもそもなぜ量子コンピューティングにこだわるのでしょうか？研究者によると、ある種の問題は、従来のプロセッサよりも量子プロセッサの方が簡単に解決できるそうです。中には、従来の方法では解決不可能な問題も含まれています。
量子アプローチは、最適な解決策を見つけるために幅広い可能性を精査する必要がある課題に特に適しています。例えば、マイクロソフトは、初期の目標として窒素固定の新しい方法、つまりより製造しやすい肥料の開発を目指しています。また、マイクロソフトはフォードと協力し、量子技術に着想を得たシミュレーションを用いて交通流の最適化にも取り組んでいます。
量子コンピューティングの支持者は気候変動やその他の地球規模の課題への取り組みについて語るかもしれないが、ウィスコンシン大学のトリベディ氏は、すべての問題が同じように生じるわけではないと述べた。
「今後数年間、人々がこれらの機械を用いて研究することに興味を持つ問題は、必ずしも恣意的な問題ではありません」と彼は述べた。「物理システムのシミュレーションで生じる問題であり、化学物質や分子、あるいは特定の物質の挙動を理解する際に生じる問題です。これらの問題の多くでは、非常に正確な定量的な答えを求めているわけではありません。数値ではなく、むしろ傾向を求めているのです。」
そういった場合には、少し間違った答えでも大丈夫な場合があります。
「ノイズの多いシステムでも問題なく動作する場合が多いので、本格的なエラー訂正は必要ありません」とトリベディ氏は述べた。「ですから、こうした問題に対しては、IonQのようなトラップイオンマシン、あるいはGoogleのような超伝導量子ビットを扱う企業であれば、100万量子ビットも必要とせずに解決できるかもしれません。」
ワシントン大学のもう一人のコンピュータサイエンス教授、アンドレア・コラダンジェロ氏は、初期の量子コンピューティングシステムは化学を通してより良い生活につながる可能性があると述べた。「人々は化学システムのシミュレーションのための特定のアルゴリズムに期待を寄せています」と彼は述べた。例えば、研究チームはハミルトンシミュレーションと呼ばれるアルゴリズム群に量子アプローチを適用し、化学反応の低エネルギー状態を特定できる実験を行っている。
「それは新しい材料の設計に活用できる」とコラダンジェロ氏は語った。
一方、複雑な数学の問題、例えば大きな数の素因数分解などは、解読がより困難になるでしょう。素因数分解は現在、安全なオンライン通信と取引を支える柱の一つであるため、こうした問題はセキュリティ専門家にとって大きな懸念事項となっています。連邦政府は既に、量子ハッカーがあなたの銀行口座を保護する暗号を解読しようとする日を予測しています。
幸いなことに、トリベディ氏は、暗号解読は量子コンピュータが実行できる最も困難なタスクの一つになるだろうと述べた。「RSA暗号で使われる数字のスケールを考えると、おそらく非常に難しいでしょう」とトリベディ氏は述べた。「小さな数字ではなく、非常に大きな数字です。ですから、近い将来に実現することはないはずです。」
もし明るい量子時代が到来するとしても、それは特定の日に突然訪れるとは考えにくい。Microsoft、Amazon、Google、IBM、IonQ、D-Waveといった企業は既に、開発者が試用できるクラウドベースの量子ツールを提供しており、ハイブリッドコンピューティングプラットフォームは、量子技術に着想を得たサービスを段階的に導入していくだろう。
したがって、量子コンピュータが生きているかどうかを判断するにあたっては、今後 10 年か 20 年のうちに箱を開けて確認する機会が複数回ある可能性があります。
