DARPAはマイクロソフトの革新的なトポロジカル量子コンピュータ構築の取り組みを後押し
米国防総省の国防高等研究計画局は、超伝導ナノワイヤの特殊な特性を利用した産業規模の量子コンピュータを開発するというマイクロソフトの長年にわたる取り組みに賭けている。
マイクロソフトは、5年間のプログラム「実用規模量子コンピューティングのための未開拓システム（US2QC）」の一環として、設計コンセプトを発表するために選ばれた3社のうちの1社です。DARPAのプログラムは、量子コンピューティングのフロンティアが未だ不確実性に包まれている時代に、政府の支援がいかにしてそのフロンティアを前進させる原動力となっているかを示す最新の例です。
「従来の設計に基づく実用規模の量子コンピュータの実現がまだ数十年先なのか、それとももっと早く実現できるのか、専門家の間でも意見が分かれています」と、DARPA国防科学局のUS2QCプログラムマネージャー、ジョー・アルテペター氏はニュースリリースで述べた。「US2QCの目標は、未開拓の量子コンピューティングシステムによる戦略的奇襲の危険性を軽減することです。」
アルテペーター氏によると、DARPAは、10年以内に実用的な汎用量子コンピュータの開発につながると思われるアプローチを持つ企業に対し、連絡を取るよう呼びかけたという。「私たちは、追加の専門家を資金提供し、彼らのチームに加わってもらい、提案されたソリューションの実現可能性を判断するための厳格な政府検証と妥当性確認を提供することで、協力を申し出ました」と彼は述べた。
アルテペーター氏は、この結果は「双方に利益」をもたらす可能性があると述べた。つまり、企業の商用技術が促進される一方で、連邦政府の国家安全保障機関は潜在的に破壊的な影響に「驚かされることを回避」できるという。
US2QCプログラムにマイクロソフトと共に参加する他の企業は、光トラップされた原子の量子特性の利用に取り組むAtom Computingと、シリコンベースのフォトニクスの可能性を探求するPsiQuantumです。両社ともカリフォルニアに拠点を置いています。
プログラムの初期段階では、各社が実用規模の量子コンピュータ開発計画を説明した設計コンセプトを提示します。これらのコンセプトは、より厳密で本格的なシステム設計の開発の指針となり、DARPA主導の試験・検証チームによって評価されます。
位相幾何学のトリッキーさ
量子探求は、従来の電子的な1と0の世界とは劇的に異なるコンピューティングへのアプローチを伴います。量子ビット（量子ビット）は、結果が読み出されるまで複数の値を同時に表すことができます。そのため、量子コンピューティングは、大規模なデータセットを精査して最適な解を見つけるといった特定の種類の問題において、より強力な可能性を秘めています。
応用分野としては、より高性能なバッテリー、より効果的な肥料、あるいは新しいタイプの医薬品のための新しい化学物質の開発などが考えられます。化学分野以外にも、量子コンピューティングは交通ルートや惑星間通信ネットワークから金融サービスに至るまで、幅広いシステムの最適化を可能にします。
しかし、量子コンピューティングに最適なハードウェアとはどのようなものでしょうか？マイクロソフトは10年以上にわたり、トポロジカル量子ビットアーキテクチャの可能性を探求してきました。昨年、同社はマヨラナゼロモードと呼ばれる特異な現象の証拠を発見し、その研究において大きな進歩を報告しました。
マイクロソフトのアーキテクチャに基づく量子コンピュータは、トポロジカル超伝導線の両端にマヨラナゼロモードを誘起・操作することで動作する。このようなモードが実際に存在することを実証することは、マイクロソフトの構想を現実のものにするための大きな一歩となった。
マイクロソフトは、古典コンピュータでは扱えないような問題を解くには、量子コンピュータには少なくとも100万個の物理量子ビットが必要だと見積もっています。もしこれらの物理量子ビットが適切なサイズでなければ、必要なハードウェアは「最終的にフットボール場ほどの大きさになる可能性がある」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・スヴォア氏は先週開催されたNorthwest Quantum Nexus Summitで述べました。
「マイクロソフトでは、まさに適切な量子ビット、つまりトポロジカル量子ビットに注力してきました」とスヴォレ氏は語った。
昨年の成果はマイクロソフトのアプローチに対する自信を高めたが、フルスタックのトポロジカル量子コンピュータを実現するには、さらに多くの研究開発が必要となるだろう。「最適な量子ビットと、それを中心としたシステムが必要です」とスヴォレ氏は述べた。「大規模なクラウドに統合する必要があるでしょう？膨大な量の従来型計算と統合する必要があるのです。…同時に、ソフトウェアとハードウェアを共同で設計・開発していく必要もあります。」
国家安全保障上の懸念
連邦政府が量子コンピューティングに興味を持っているのにはいくつかの理由があります。
「米国の第一目標は、この技術を推進することです」と、ホワイトハウス科学技術政策局の国家量子調整局長チャールズ・タハン氏は先週のサミットで述べた。「量子情報技術におけるリーダーシップを維持しなければなりません。そのためには、研究開発への投資、人材育成プログラムへの投資、そして民間セクターだけでなく、国際的なパートナーとのパートナーシップを強化する必要があります。」
その他の目標は国家安全保障に関連しています。「ニュースで最もよく目にするのは、国家が量子耐性暗号技術を導入することです」とタハン氏は述べました。
理論的には、量子コンピュータは大きな数の素因数分解に関する課題を解決できる可能性があります。素因数分解は、安全なオンライン通信や金融取引において重要な役割を果たす数学の一分野です。「フォールトトレラントな量子コンピュータの潜在能力があれば、もしそのようなマシンがあれば、RSA暗号やその他の公開鍵暗号を破ることができるでしょう」とタハン氏は述べています。「国家が25年、あるいは50年もの間情報を保護しなければならないという時間スケールを考えると、今すぐ量子耐性のある暗号に移行することが本当に重要です。」
量子暗号解読から情報を守ることは、量子コンピュータの仕組みを解明することの裏返しです。一方で、連邦政府は米国の技術が世界のライバル企業に盗まれるのを防がなければなりません、とタハン氏は述べました。
「もし正しく進めたとしても、量子耐性暗号への移行には10年以上かかるだろう」と彼は述べた。「その間、経済安全保障と国家安全保障の両方のために、投資を守る必要がある」
中国は最大のライバルです。先月、中国の研究者たちが、ほとんどのデータ暗号化方式の基盤となっているRSAアルゴリズムを解読する方法を発見したと報告し、大きな騒動となりました。外部の専門家は、この報告を受けて生じた懸念は誇張されていると指摘しましたが、それでもなお、この報告は、事態がどれほど深刻になり得るかを示しました。
量子コンピューター企業IonQのCEOピーター・チャップマン氏は、中国の主張を「警告射撃」と捉えた。
「誰かが新しいアイデアを思いついた途端、突然私たちが危険にさらされる可能性があることを示しています」とチャップマン氏は先週のサミットで述べた。「ですから、私たちは今よりもずっと真剣にこの問題に取り組む必要があります。」
チャップマン氏は、量子研究におけるアメリカのリーダーシップを確保するには、連邦政府の支援だけでなく民間投資も必要だと述べた。彼は既に初期事例として、将来の量子コンピュータ用バリウムイオンを製造するための新技術の開発において、IonQ社がパシフィック・ノースウエスト国立研究所と共同研究を行っていることを挙げている。このプロセスは、早ければ来年、IonQ社がワシントン州ボセルにある研究・製造施設の稼働を開始すれば、商用サプライチェーンに組み込まれる予定だ。
「中国のような国に打ち勝つには、官民パートナーシップが不可欠です。官民連携は、民間部門が投資を促せるようにする必要があります。これは、いわば半導体の黎明期に私たちが行ったことと同じです。フェアチャイルドのような企業が集積回路の開発に熱心に取り組んでおり、NASAがそれらの初期市場を提供しました」とチャップマン氏は述べた。「もちろん、それがこの特定の技術への投資を促す原動力となりました。残りは、いわば歴史が証明しています。」
アマゾン ウェブ サービスで量子コンピューティングのワールドワイド事業開発と市場参入戦略を担当するセバスチャン・ハシンガー氏は、これまでのところ、テクノロジー企業が量子情報スーパーハイウェイの開発を進める中で、公共部門は「ヘッドライトを確実に点灯させるという素晴らしい仕事をしてきた」と述べた。
「基本的に、これは民間市場に任せられるものではありません」とハシンガー氏はGeekWireに語った。「量子分野に投資するベンチャーファンドがいかに少ないかを見ればそれが分かります。一般的なファンドが想定しているよりもはるかに長期的な投資期間と不確実性が高いため、投資は困難です。…エグジットまで3～5年というわけではありません。」
