量子コンピュータを機能させるためのハイリスクな競争の内幕

2019年3月8日午前10時

量子コンピューターは、宇宙の最も基本的な謎のいくつかを解明し、金融から暗号化まですべてをひっくり返すのに役立つ可能性があります。ただし、誰かがそれを動作させることができればの話です。

フランスとスイスの国境の地下深くで、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）は眠りについた。しかし、その静寂は長くは続かないだろう。今後数年間で、世界最大の粒子加速器は超高出力化され、1秒あたりの陽子衝突回数が2.5倍に増加する。2026年に作業が完了すると、研究者たちは宇宙の最も根本的な疑問のいくつかを解明できると期待している。しかし、出力の増大に伴い、高エネルギー物理学がかつて見たことのないほどの膨大なデータが得られることになる。そして今のところ、人類はこの加速器が何を発見するかを知る術はない。

問題の規模を理解するには、次の点を考えてみてください。2018年12月に停止したLHCは、毎秒約300ギガバイトのデータを生成し、年間で25ペタバイト（PB）に達しました。ちなみに、25PBのMP3曲を聴くには5万年かかりますが、人間の脳はわずか2.5PBのバイナリデータに相当する記憶を保存できます。この膨大な情報を解釈するために、LHCのデータは42カ国170の計算センターに送信されました。この国際的な協力関係こそが、物質の素粒子に質量を与えると考えられているヒッグス場の一部である、捉えどころのないヒッグス粒子の発見につながったのです。

迫り来るデータの奔流を処理するために、欧州原子核研究機構（CERN）の科学者たちは、現在利用可能な計算能力の50～100倍の計算能力を必要とするだろう。提案されている将来型円形衝突型加速器（CFD）は、LHCの4倍の規模と10倍の性能を備えており、LHCの少なくとも2倍という途方もない量のデータを生成することになる。

迫り来るデータの氾濫を解明するため、CERNの一部の研究者は、新興分野である量子コンピューティングに着目している。LHCが探究している自然法則そのものを動力源とするこのマシンは、予想されるデータ量を瞬く間に処理できる可能性がある。しかも、LHCと同じ言語を話すことも可能だ。世界中の多くの研究室が量子コンピューティングの力を活用しようとしているが、CERNにおける将来の研究こそが、この研究を特に刺激的なものにしている。ただ一つ問題がある。現時点ではプロトタイプしかなく、信頼性の高い量子デバイスを実際に構築できるかどうかは誰にもわからないのだ。

従来のコンピューター（Apple Watchであれ、世界最高性能のスーパーコンピューターであれ）は、オンオフスイッチのように動作する微小なシリコントランジスタを用いてビット単位のデータを符号化しています。各回路は、2進コードで1（オン）または0（オフ）の2つの値のいずれかを保持します。コンピューターは回路内の電圧をオンまたはオフにすることで動作させます。

量子コンピュータは、この「どちらか一方」という考え方に限定されません。そのメモリは量子ビット、つまり原子や電子のような物質の微小粒子で構成されています。そして、量子ビットは「両方」を実行できます。つまり、0と1のあらゆる組み合わせの重ね合わせ状態、つまり同時にすべての状態をとることができるのです。

例えば、CERNにとって、量子コンピューターの可能性は、これまで解明が難しかった超対称性（SUSY）の証拠発見に役立つ可能性がある。現在、研究者たちはLCHにおける陽子-陽子衝突の残骸を数週間から数ヶ月かけてふるいにかけ、既知のすべての物質粒子の姉妹粒子となる、エキゾチックで重い「姉妹粒子」を見つけようとしている。この探求は数十年にわたり続けられており、多くの物理学者がSUSYの理論が本当に妥当なのか疑問視している。量子コンピューターは衝突の解析を大幅に加速させ、超対称性の証拠をより早く発見できると期待される。あるいは少なくとも、理論を捨てて先に進むことができるようになるかもしれない。

量子デバイスは、ビッグバン直後の数分間の初期宇宙の進化を科学者が理解する助けにもなるかもしれません。物理学者たちは、当時、私たちの宇宙はクォークとグルーオンと呼ばれる素粒子の奇妙なスープに過ぎなかったと確信しています。このクォーク・グルーオン・プラズマがどのようにして今日の宇宙へと進化したかを理解するために、研究者たちは初期の宇宙の状態をシミュレーションし、LHCで複数の衝突実験を行い、そのモデルを検証しています。LHCで衝突させている粒子そのものを支配する法則に支配された量子コンピューターでシミュレーションを実行することで、より正確なモデルを検証できる可能性があります。

純粋科学の枠を超えて、銀行、製薬会社、政府も、従来のコンピューターの数十倍、あるいは数百倍にもなる計算能力を手に入れようと待ち望んでいます。

そして彼らは何十年も待ち続けてきた。Googleも、IBM、Microsoft、Intel、そして多くのスタートアップ企業、学術団体、そして中国政府も、この競争に参戦している。賭け金は信じられないほど高い。昨年10月、欧州連合（EU）は今後10年間で5,000人以上の欧州の量子技術研究者に10億ドルの資金を提供することを約束した。一方、ベンチャーキャピタリストは2018年だけで、量子コンピューティングを研究する様々な企業に約2億5000万ドルを投資した。「これはマラソンです」と、オーストラリアのシドニー大学にあるMicrosoftの量子研究所を率いるデイビッド・ライリー氏は言う。「しかも、まだマラソン開始から10分しか経っていないのです」

量子コンピューティングをめぐる誇大宣伝や、量子ビットの新記録発表のたびにメディアが騒ぎ立てるにもかかわらず、競合チームのいずれも、量子超越性と呼ばれる最初のマイルストーンにさえ近づいていない。量子超越性とは、量子コンピューターが少なくとも 1 つの特定のタスクを標準的なコンピューターよりも優れたパフォーマンスで実行できる瞬間のことである。タスクの種類を問わず、それが完全に人工的で無意味なものであっても同じである。量子コミュニティでは、Google がこれに近づいているという噂がたくさんあるが、もし本当だとしても、同社にせいぜい自慢できる権利を与えるだけだと、シドニー大学の物理学者で量子スタートアップ企業 Q-CTRL の創設者でもある Michael Biercuk 氏は言う。「それはちょっとした小技、人為的な目標になるでしょう」と Reilly 氏は言う。「それは、実際には世界に明らかな影響を及ぼさない数学の問題をでっち上げて、それを量子コンピューターで解けると言うようなものです。」

なぜなら、この競争における最初の真のチェックポイントは、はるかに先にあるからだ。量子優位性と呼ばれるこの目標では、量子コンピュータが真に有用なタスクにおいて通常のコンピュータを上回る性能を発揮する。（一部の研究者は、量子超越性と量子優位性という用語を同じ意味で使用している。）そしてゴールは、汎用量子コンピュータの実現である。このコンピュータが、極めて複雑なタスクを幅広く実行できる能力を備えた、計算の涅槃をもたらすことが期待されている。重要なのは、命を救う薬のための新しい分子の設計、銀行の投資ポートフォリオのリスク調整、現在の暗号をすべて破り、より強力な新しいシステムを開発する方法、そして欧州原子核研究機構（CERN）の科学者にとっては、ビッグバン直後の宇宙を垣間見る方法である。

ゆっくりと、しかし確実に、作業はすでに始まっている。CERNの物理学者フェデリコ・カルミナティ氏は、今日の量子コンピュータでは研究者に従来のコンピュータ以上のものを提供できないことを認めている。しかし、彼はひるむことなく、技術の成熟を待ちながら、クラウド経由でIBMのプロトタイプ量子デバイスの改良を開始した。これは量子マラソンにおける新たな一歩だ。CERNとIBMの契約は、昨年11月にCERNが主催した業界ワークショップで締結された。

アイデアの交換と潜在的な協力関係の議論を目的として開催されたこのイベントでは、CERNの広々とした講堂がGoogle、IBM、Intel、D-Wave、Rigetti、Microsoftの研究者で満員となった。Googleは72量子ビットマシン「Bristlecone」の試験の詳細を説明した。Rigettiは128量子ビットシステムの開発を宣伝した。Intelは49量子ビットでこれに迫っていることを示した。IBMからは物理学者のイヴァーノ・タヴェルネッリ氏が登壇し、同社の進捗状況を説明した。

IBMは、当初はわずか5量子ビットのコンピューターだったのが、その後16量子ビット、20量子ビットへと進化し、つい最近50量子ビットのプロセッサーを披露するなど、量子コンピューターの量子ビット数を着実に増やしてきた。カルミナティはタヴェルネッリの話に興味をそそられ、コーヒーブレイク中に彼に話しかけた。数分後、CERNは量子コンピューターをその素晴らしい技術群に加えた。CERNの研究者たちは現在、全く新しいアルゴリズムとコンピューティングモデルの開発に着手しており、デバイスと共に成長することを目指している。「このプロセスの基本となるのは、テクノロジープロバイダーとの強固な関係を構築することです」とカルミナティは語る。「これは量子コンピューティングにおける私たちの第一歩ですが、比較的後発ではありますが、多くの分野で独自の専門知識を持ち込むことができます。私たちは量子コンピューティングの基盤となる量子力学の専門家です。」

量子デバイスの魅力は明白です。標準的なコンピュータを例に挙げましょう。1965年、インテルの元CEOゴードン・ムーアは、集積回路の部品数は約2年ごとに倍増すると予測しましたが、この予測は半世紀以上にわたって的中しました。しかし、ムーアの法則は物理学の限界に達しつつあると多くの人が考えています。しかし、1980年代以降、研究者たちは代替案を検討してきました。このアイデアを広めたのは、カリフォルニア工科大学パサデナ校のアメリカ人物理学者リチャード・ファインマンです。1981年の講演で、彼は、電子や光子のような扱いにくい粒子が波のように振る舞いながらも、同時に2つの状態に存在する量子重ね合わせと呼ばれる現象を、コンピュータでは原子レベルで実際にシミュレートできないと嘆きました。

ファインマンは、それが可能な機械を作ることを提案した。「古典理論だけで成り立つ分析ばかりに満足できない。自然は古典的ではないんだから」と彼は1981年に聴衆に語った。「そして、自然のシミュレーションを作りたいなら、量子力学的に行うべきだ。そして、これは実に素晴らしい問題だ。なぜなら、それほど簡単そうには見えないからだ」

こうして量子競争が始まった。量子ビットは様々な方法で作れるが、2つの量子ビットが両方とも状態A、両方とも状態B、片方が状態Aで片方が状態B、あるいはその逆、という規則があり、合計4つの確率が存在する。そして、量子ビットがどの状態にあるかは、測定して量子確率の世界から私たちの日常の物理現実へと引きずり出されるまで分からないのだ。

理論上、量子コンピュータは量子ビットがとり得るすべての状態を一度に処理し、メモリサイズに追加される量子ビットごとに、その計算能力は指数関数的に増加するはずです。つまり、3 量子ビットの場合、同時に処理できる状態は 8 つ、4 量子ビットの場合は 16、10 量子ビットの場合は 1,024、20 量子ビットの場合は、なんと 1,048,576 状態になります。世界で最も強力な最新のスーパーコンピュータのメモリバンクをすぐに上回るには、それほど多くの量子ビットは必要ありません。つまり、特定のタスクについては、量子コンピュータは通常のコンピュータよりもはるかに高速に解決策を見つけることができます。これに加えて、量子力学のもう 1 つの重要な概念である「エンタングルメント」があります。これは、複数の量子ビットを 1 つの量子システムにリンクでき、1 つの量子ビットの操作がシステムの残りの部分に影響を及ぼすことを意味します。このようにして、コンピュータは両方の処理能力を同時に活用できるため、計算能力が大幅に向上します。

多くの企業や研究室が量子マラソンで競い合っている一方で、それぞれ異なるアプローチで独自のレースを走っているところも少なくありません。ある装置は、CERNではないものの、研究チームによってCERNのデータを解析するために使用されました。昨年、カリフォルニア工科大学（パサデナ）と南カリフォルニア大学の物理学者たちは、ブリティッシュコロンビア州バーナビーに拠点を置くカナダ企業D-Wave社製の量子コンピュータを用いて、LHCの膨大なデータを精査することで、2012年にLHCで発見されたヒッグス粒子の発見を再現することに成功しました。結果の到達速度は従来のコンピュータよりも速かったわけではありませんが、重要なのは、この研究が量子コンピュータで同じ処理を実行できることを示したことです。

量子コンピューティング競争における最古参の一つであるD-Waveは、2007年に、完全に機能する商用利用可能な16量子ビット量子コンピュータのプロトタイプを開発したと発表した。この主張は今日に至るまで物議を醸している。D-Waveは、現実世界の量子システムが低エネルギー状態（必然的に倒れるコマのようなもの）を見つけるという自然な傾向に基づいた、量子アニーリングと呼ばれる技術に注力している。D-Wave量子コンピュータは、問題の可能な解を山と谷の地形として想定する。各座標は可能な解を表し、その高度はそのエネルギーを表す。アニーリングにより、問題を設定し、システムを約20ミリ秒で解へと導くことができる。その過程で、システムは山を通り抜けながら最も低い谷を探すことができる。広大な解の地形の中で、最良の結果に相当する最低点を見つける。ただし、量子コンピューティングでは避けられないエラーを完全に修正しようとはしない。 D-Wave社は現在、ユニバーサルアニーリング量子コンピュータのプロトタイプに取り組んでいると、同社の最高製品責任者アラン・バラッツ氏は語る。

D-Waveの量子アニーリング以外にも、量子の世界を人間の思い通りに操ろうとする主なアプローチが3つあります。集積回路、トポロジカル量子ビット、そしてレーザーで捕捉されたイオンです。CERNは最初の方法に大きな期待を寄せていますが、他の取り組みも注視しています。

カルミナティが最近導入したコンピューターを製造しているIBM、そしてグーグルとインテルは、いずれも集積回路（量子ゲート）を備えた量子チップを製造している。これらの量子ゲートは超伝導状態にあり、特定の金属が抵抗なしで電気を伝導する状態である。各量子ゲートは非常に壊れやすい量子ビットのペアを保持している。何らかのノイズがこれらの量子ビットを乱し、エラーを発生させる。量子の世界では、ノイズとは温度変動から電磁波、音波、物理的振動まで、あらゆるものを指す。

チップを外界から可能な限り隔離し、回路に量子力学的効果を発揮させるには、極低温まで過冷却する必要があります。チューリッヒにあるIBM量子研究所では、チップは天井から吊り下げられた白いタンク（クライオスタット）に収められています。タンク内の温度は10ミリケルビン（摂氏マイナス273度）で安定しており、絶対零度よりわずかに高く、宇宙空間よりも低い温度です。しかし、これだけでは十分ではありません。

科学者が量子ビットを操作する際、量子チップを操作するだけでもノイズが発生します。「外界は量子ハードウェアと絶えず相互作用し、処理しようとしている情報にダメージを与えています」と、カリフォルニア工科大学の物理学者ジョン・プレスキル氏は述べています。彼は2012年に「量子超越性」という用語を提唱しました。このノイズを完全に除去することは不可能であるため、研究者たちはそれを可能な限り抑制しようとしています。そのため、少なくともある程度の安定性を実現し、量子計算に多くの時間を費やせるようにするために、極低温が利用されているのです。

「私の仕事は量子ビットの寿命を延ばすことで、今私たちは4つの量子ビットを扱っています」と、IBMチューリッヒ研究所に勤務するオックスフォード大学のポスドク研究員、マティアス・マーゲンターラー氏は語る。大したことないように思えるが、同氏は、重要なのは量子ビットの数ではなくその質、つまり可能な限りノイズレベルの低い量子ビットであることだ、と説明する。そうすることで、量子ビットが可能な限り長く重ね合わせ状態を保ち、マシンが計算を続けられるようにするのだ。そして、このノイズ低減という厄介な問題こそが、量子コンピューティングが最大の課題の一つにぶつかる場所だ。今、あなたがこれを読んでいるデバイスは、おそらくノイズの多い量子ビットを30個持つ量子コンピューターと同程度の性能しか発揮していない。しかし、ノイズを低減できれば、量子コンピューターの性能は何倍も高くなる。

ノイズが低減したら、研究者らは古典コンピュータで実行される特別なエラー訂正アルゴリズムを用いて、残っているエラーを訂正しようと試みる。問題は、こうしたエラー訂正は量子ビットごとに行われるため、量子ビットの数が増えるほど、システムが対処しなければならないエラーも増えることだ。コンピュータが1,000回の計算ステップごとにエラーを起こすとしよう。大したことないと思うかもしれないが、1,000回程度の演算を行うと、プログラムは誤った結果を出力する。量子マシンが意味のある計算を実行し標準的なコンピュータを上回るためには、ノイズが比較的低く、エラー率が可能な限り訂正された約1,000個の量子ビットを備える必要がある。これらをすべてまとめると、研究者らが論理量子ビットと呼ぶものが構成される。このような量子ビットはまだ存在していない。今のところ、プロトタイプの量子デバイスが達成した最高のものは、最大10量子ビットのエラー訂正である。そのため、これらのプロトタイプは、ノイズの多い中規模量子コンピューター (NISQ) と呼ばれています。この用語も 2017 年に Preskill によって造られました。

カルミナティ氏にとって、この技術はまだ完成していないことは明らかだ。しかし、それは実際には問題ではない。CERNにおける課題は、ハードウェアが利用可能になった暁には、量子コンピュータのパワーを解き放つ準備を整えることだ。「一つのエキサイティングな可能性は、量子コンピュータを用いて、量子システムの非常に正確なシミュレーションを実行することです。量子コンピュータ自体が量子システムなのです」と彼は言う。「もう一つの画期的な機会は、量子コンピューティングと人工知能を融合させ、ビッグデータを分析することから生まれるでしょう。これは現時点では非常に野心的な提案ですが、私たちのニーズの中核を成すものです。」

しかし、一部の物理学者は、 NISQマシンは永遠にノイズだらけのままだと考えている。イェール大学のギル・カライ教授は、誤り訂正とノイズ抑制だけでは、いかなる種類の有用な量子計算も実現するには十分ではないと述べている。そして、それは技術的な問題ではなく、量子力学の原理に起因しているとカライ教授は指摘する。相互作用するシステムでは、エラーが相互に関連、つまり相関する傾向があるため、エラーは多くの量子ビットに同時に影響を及ぼすことになる、と彼は言う。そのため、必要な多数の量子ビットを持つ量子コンピュータに必要なノイズレベルを十分に低く抑えるエラー訂正コードを作成することは不可能だ。

「私の分析によると、数十量子ビットのノイズ量子コンピュータは、非常に原始的な計算能力しか発揮しないため、より大規模な量子コンピュータを構築するために必要な構成要素として使用することは不可能だ」と彼は述べている。科学者の間では、こうした懐疑論は激しく議論されている。カライ氏をはじめとする量子懐疑論者のブログは活発な議論の場となっており、最近話題になった「量子コンピューティング反対の論拠」という記事も活発に議論されている。記事には、それに対する反論として「量子コンピューティング反対の論拠」が掲載されている。

今のところ、量子コンピュータへの批判は少数派だ。「既に修正可能な量子ビットが、スケールアップしても形状とサイズを維持できれば、問題はないはずだ」と、カナダ・オンタリオ州ウォータールー大学の物理学者レイ・ラフラム氏は言う。今注目すべき重要な点は、科学者が50、72、あるいは128量子ビットに到達できるかどうかではなく、量子コンピュータをこの規模にスケールアップすることで、全体的なエラー率が大幅に増加するかどうかだ。

ノイズを抑制し、論理量子ビットを作成する最良の方法は、量子ビットを別の方法で作成することだと考える人もいます。マイクロソフトでは、研究者たちがトポロジカル量子ビットの開発に取り組んでいますが、世界中に広がる量子研究所ではまだ1つも作成されていません。もし成功すれば、これらの量子ビットは集積回路で作られる量子ビットよりもはるかに安定するでしょう。マイクロソフトのアイデアは、粒子（例えば電子）を2つに分割し、マヨラナフェルミオン準粒子を生成するというものです。マヨラナフェルミオン準粒子は1937年に理論化され、2012年にはオランダのデルフト工科大学のマイクロソフト凝縮物質物理学研究所の研究者たちが、その存在を初めて実験的に証明しました。

「現在市場に出回っている他の量子ビット1,000個につき、当社の量子ビットは1個あれば十分です」と、マイクロソフトの量子ハードウェア担当ゼネラルマネージャー、チェタン・ナヤック氏は述べています。言い換えれば、すべてのトポロジカル量子ビットは最初から論理量子ビットとなるということです。ライリー氏は、長年ほとんど進展がないにもかかわらず、これらの難解な量子ビットの研究は努力する価値があると考えています。なぜなら、もし実現できれば、そのようなデバイスを数千個の論理量子ビットに拡張することは、NISQマシンよりもはるかに容易になるからです。「当社のコードとアルゴリズムを、さまざまな量子シミュレータやハードウェアソリューションで試すことは非常に重要です」とカルミナティ氏は言います。「もちろん、本格的な量子量子生産に対応できるマシンはまだありませんが、私たち自身もまだ準備ができていません。」

カルミナティが注目しているもう一つの企業は、メリーランド大学発のスタートアップ企業であるIonQだ。同社は量子コンピューティングにおける3つ目の主要なアプローチ、すなわちイオントラッピングを採用している。イオンは元々量子的な性質を持ち、室温でも最初から重ね合わせ効果を持つため、NISQマシンの集積回路のように過冷却する必要がない。各イオンは単一の量子ビットであり、研究者は特殊な微小シリコンイオントラップでイオンをトラップし、レーザーを用いて、各微小レーザービームが量子ビットに当たる時間と強度を変化させることでアルゴリズムを実行する。ビームはデータをイオンにエンコードし、各イオンの電子状態を変化させることでデータを読み出す。

IonQは12月、160個のイオン量子ビットを収容し、79個の量子ビット列に対して単純な量子演算を実行できる商用デバイスを発表しました。しかし、現時点ではイオン量子ビットはGoogle、IBM、Intelが製造する量子ビットと同程度のノイズを発生しており、IonQも世界中のイオン量子実験を行っている他の研究機関も、量子超越性を達成していません。

量子コンピュータをめぐる騒ぎと誇大宣伝が鳴り響く中、CERNでは刻一刻と時間が迫っている。この加速器はわずか5年後に稼働を開始し、さらに強力になり、そこで得られるすべてのデータを分析する必要がある。その時、ノイズがなく、エラー訂正機能を備えた量子コンピュータは非常に役立つだろう。

この記事はもともとWIRED UKに掲載されたものです。

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