量子コンピューティングの聖杯がついに登場。本当にそうなのか？

世界最大級のコンピューティング企業と、潤沢な資金を持つスタートアップ企業は、皆、コンピューティングの未来は量子力学を用いたデータ操作にあるという点で一致しています。過去10年間、政府、民間企業、ベンチャーキャピタリストは、量子コンピューティングに総額数十億ドルを投資してきました。量子コンピューティングは、通常の1と0の論理ではなく、重ね合わせや量子もつれといった量子特性を利用することで実現される新しいタイプの論理を用いて問題を解くことを目指しています。しかし、基本的な演算を実行できるプロトタイプはいくつかあるものの、ハードウェアは実用に耐えるほど信頼性が高くありません。

Googleとコロラド州に拠点を置くスタートアップ企業Quantinuumの研究者たちは今年、それぞれ独立して、量子ハードウェアの不安定さを解決すると期待される、長年模索されてきたアイデアを前進させる成果を発表しました。両チームは、トポロジカル量子ビットと呼ばれるコンポーネントに必要なメカニズムを実証しました。このメカニズムは、量子状態にエンコードされた情報を、現在のハードウェア設計よりも堅牢に保持・操作する方法を提供すると期待されています。しかし、両社は実際にこの長年模索されてきたコンポーネントを実現したのでしょうか？それは、誰に尋ねるかによって答えは異なります。

物理学者たちは、計算エラーを低減するトポロジカル量子ビットの設計を開発しました。これにより、より複雑なアルゴリズムが可能になり、創薬から金融モデリング、より効率的なAIに至るまで、この技術の将来的な収益源となる応用への道が開かれました。「これは量子コンピューティング業界にとって、まさにトランジスタの瞬間となるでしょう」と、Quantinuumの創設者であるイリヤス・カーン氏は同社の発表で述べています。「私たちは、量子コンピュータをトポロジカル量子ビットを構築するための工作機械として利用しました。」

GoogleはQuantinuumと同様のデモンストレーションを自社の量子コンピュータを用いて行ったが、同じ方法での分類を拒否している。「トポロジカルキュービットは実現していない」と、Googleの研究者であるトロンド・アンダーセン氏とユーリ・レンスキー氏はWIREDへのメールで述べている。実験の解釈の多様性をさらに高めているのが、Googleの協力者の一人が異なる見解を示していることだ。

最先端の量子コンピュータのプロトタイプ内部で実際に何が起こっているのかをめぐる意見の相違は、新興産業が直面するハードルの高さを物語っています。研究者たちは、この新進気鋭のマシンの洗練された設計と刺激的な潜在的用途を開発してきましたが、実際にそれを実行に移すのは容易ではありません。

資金提供者に進捗状況を示すプレッシャーと、技術開発を継続するための多額の資金を必要とする量子コンピューティングコミュニティの一部には、意義が曖昧なマイルストーンを発表する傾向があり、不満を持つ物理学者からの反発を招いている。一方、逆の姿勢を取り、技術用語を用いて慎重に成果を説明する者もいる。（Googleは過去に、量子コンピューティングのマイルストーンに関する議論を呼ぶ最初の企業の一つとして、誇大宣伝を広めたとして非難されてきた。この発言は、Quantinuumのトポロジカル量子ビットの主張につながる流れの火付け役となった。）

ピッツバーグ大学の物理学者セルゲイ・フロロフ氏は、この研究には関与していないが、この誇大宣伝に失望し、クォンティナムもグーグルもトポロジカル量子ビットをまだ開発していないことは明らかだと述べている。「量子コンピューティングを次のレベルに引き上げるものではありません」とフロロフ氏は言う。グーグルとクォンティナムは、自社のハードウェアがトポロジカル量子ビットの特徴的な特性をいくつか発揮できることを実証したが、その構成要素は量子コンピューティングにおける本来の役割、つまり情報の堅牢な保持と操作を果たすにはあまりにも脆弱すぎる。「私にとって、トポロジカル量子ビットは保護されている。しかし、これはそうではない」とフロロフ氏は言う。

大胆な主張

量子コンピューティングの聖杯の一つである量子コンピューティングの基盤を探るGoogleのプロジェクトは、物理学者キム・ウンア氏が率いるコーネル大学のチームとの共同研究から生まれた。彼らはその成果を5月に科学誌「ネイチャー」に発表した。

トポロジカル量子ビットは、平らな表面に閉じ込められた電子やその他の粒子の集団的挙動から生じる、非アーベルエニオンと呼ばれる奇妙な微小物体にデジタル情報を保存し、処理します。物理学者やエンジニアが扱うほとんどの粒子とは異なり、非アーベルエニオンは、その構成物質ではなく、幾何学的特性に基づく挙動によって定義されます。「エニオン」という名称は「波」に似ており、波はその挙動によって定義され、水、空気、金属製のギター弦など、様々な物質から構成されます。研究者たちは、電子、イオン、中性原子、超伝導回路のクラスターから非アーベルエニオンを生成することを提案しています。

最も重要なのは、非アーベルエニオンが過去の動きに関する一種の「記憶」を保持しており、これを用いてバイナリデータを表現できることです。トポロジカル量子ビットとは、最も簡単に言えば、非アーベルエニオンのペアを空間的に物理的に交換することで、そのペアの特性にデータをエンコードするシステムです。これらの変化は、他の量子ビットを圧倒するような微小な振動や温度変動などの外部からの擾乱に対して堅牢です。この堅牢性は、形状が歪んでいても成り立つ空間関係と幾何学を研究するトポロジー分野の数学に根ざしています。そのため、非アーベルエニオンは量子コンピューターにおける情報の保持と操作に理想的なコンポーネントとなっています。

キム氏のチームは、Googleの量子コンピュータの一つを構成する25個の超伝導回路を用いて、非アーベルエニオンを生成した。そして、非アーベルエニオンを動かした後も、過去の運動の記憶を保持していることを実証した。キム氏は、この「記憶」こそがデバイスの特徴的な設計特性であるため、議論の余地はないと述べた。「私たちはトポロジカル量子ビットを作ったのです」と彼女は言う。

Googleのアンダーセン氏とレンズキー氏はこれに異議を唱える。彼らは、この実験はトポロジカル量子ビットを実証したものではないと考えている。なぜなら、この物体は実用的な量子コンピューティングを実現するために情報を確実に操作することができないからだ。「論文では、トポロジカル保護を実現するには誤り訂正を含める必要があり、これは将来の研究で実施する必要があることが繰り返し明記されている」と、彼らはWIREDに書いている。

5月に同社が発表した後、WIREDが同社の社長兼COOであるトニー・アトリー氏にインタビューした際、彼は揺るぎない態度を崩さなかった。「トポロジカルキュービットを開発したのです」と彼は言った（アトリー氏は先月、同社を退社することを発表していた）。同社の実験では、電磁場中に浮かべた27個のイッテルビウム金属イオンから非アーベルエニオンを生成した。研究チームはこれらのイオンを操作してレーストラック型のトラップ内で非アーベルエニオンを形成させ、Googleの実験と同様に、エニオンがどのように移動したかを「記憶」できることを実証した。クォンティヌムは、キム氏の論文がNatureに掲載される2日前に、査読なしでプレプリント論文としてarXivに発表した。

改善の余地

結局のところ、2つの実験がトポロジカル量子ビットを生成したかどうかについては、両者とも意見が一致していません。なぜなら、トポロジカル量子ビットとは何かという点について合意が得られていないからです。たとえ、そのようなものが非常に望ましいという点については広く合意されているとしてもです。結果として、GoogleとQuantinuumは同様の実験を行い、同様の結果を得ることはできますが、最終的に全く異なる物語を語ることになります。

いずれにせよ、ピッツバーグ大学のフロロフ氏は、どちらの実証もこの分野をトポロジカルキュービットの真の技術的目的に近づけたようには見えないと述べています。GoogleとQuantinuumは非アーベルエニオンを生成・操作したように見えますが、その基盤となるシステムと材料は実用にはあまりにも脆弱でした。

ピッツバーグ大学の物理学者、デイビッド・ペッカー氏は、以前IBMの量子コンピューターを用いて非アーベル・エニオンの操作をシミュレートした経験があるが、グーグルとクォンティニウムのプロジェクトは計算能力における量子優位性を示すものではないと述べている。これらの実験は、量子コンピューティングの分野を、既存のコンピューターと競合するにはまだ規模が小さすぎるシステムの開発という、これまでの状況から変化させるものではない。「私のiPhoneは、グーグルのマシンが実際の量子ビットで実行できるよりも高い忠実度で27量子ビットをシミュレートできます」とペッカー氏は言う。

それでも、技術革新は漸進的な進歩から生まれることもあります。実用的なトポロジカル量子ビットを実現するには、非アーベルエニオンとその奇妙な挙動を支える数学について、大小を問わずあらゆる研究が必要になります。その過程で、量子コンピューティング業界の関心は、物理学におけるいくつかの根本的な問いの解明に貢献しています。

ノーベル賞受賞者で理論物理学者のフランク・ウィルチェクは、1982年にテクノロジーの文脈とは別に、エニオンの存在を初めて提唱しました。非アーベルエニオンはその特定の種類です。エニオンがもし存在すれば、電子や光子といった従来認識されていた粒子とは異なる、根本的に新しい物質のカテゴリーを構成することになります。ウィルチェクの考えは自然界に許容される物体の種類を拡大し、物理学者たちは長年にわたり、非アーベルエニオンの存在を決定的に証明しようと試みました。物理学者たちは以前から非アーベルエニオンの存在を示す証拠を発見していましたが、QuantinuumとGoogleの研究は、その特徴的な特性である運動の「記憶」を初めて実証したものです。

実際、キム氏は、より優れた量子コンピュータを開発しようとしたのではなく、エニオンそのものを研究するためにこの実験を行おうとしたと述べている。「私の個人的な動機は、誇大宣伝やコンピューティングに関する動機とは無関係な、純粋に科学的なものでした」と彼女は言う。

理論物理学者として、キムはエニオンなどの量子粒子について深く考察し、それらが特定の物質中でどのように振る舞うかについて、検証可能な仮説を立ててきました。彼女の研究は、物質がどのように機能するかという好奇心から生まれました。しかししばらくの間、実験室で物質を必要なレベルの制御で操作することは非常に困難でした。「現実世界と理論家が快適に過ごせる世界とのギャップがあまりにも大きく思えたので、ある意味諦めかけていました」と彼女は言います。

Googleの量子コンピュータは、キム氏にエニオンを生成し、自身の仮説を検証する手段を与えた。黎明期の量子コンピューティング業界は、実用的なトポロジカル量子ビットが利用可能になり、構築を開始するまでにはもう少し時間がかかるかもしれないが、キム氏やQuantinuumのようなプロジェクトは、物理学者による非アーベルエニオンの理解を深めるのに役立っている。