量子コンピューティングはここに！でもまだ現実ではない

2019年10月24日午後6時52分

Google は「量子超越性」を達成したという Sycamore チップを披露しているが、量子コンピューティングが実用化されるまでにはまだ何年もかかるだろう。

WIREDに掲載されているすべての製品は、編集者が独自に選定したものです。ただし、小売店やリンクを経由した製品購入から報酬を受け取る場合があります。詳細はこちらをご覧ください。

水曜日のカリフォルニア州サンタバーバラは暖かかったが、そこにあるグーグルの量子コンピューティング研究所は心地よいほど涼しく、場所によっては宇宙よりも冷たかった。冷蔵庫ほどの大きさの銀色の円筒が3つ、ダクトとケーブルの天井の下に吊り下げられていた。内部では、超伝導量子プロセッサが動作温度、つまり絶対零度よりほんの少し高い温度で稼働していた。

グーグル社員たちは、緑色のLEDがリング状に輝く円筒形の装置の一つを、特別な愛着を持って見つめていた。早朝、ネイチャー誌に査読済み論文が掲載された。論文では、内部の「シカモア」と名付けられたチップが、スーパーコンピュータが1万年かけて全力で計算すると推定される数学の問題を数分で解いたことが報告されている。IBMはグーグルの結果に疑問を呈しているものの、多くの研究者は、この結果は「量子超越性」と呼ばれる科学的なマイルストーンを示すものだと述べている。量子超越性とは、量子コンピュータが、たとえ人為的な問題であっても、従来のコンピュータをはるかに超える性能を発揮することで、その技術の潜在能力を初めて示すことを意味する。

水曜日、Googleは勝利のラップを披露した。「スプートニクの瞬間に例えよう」と、2006年にGoogleの量子プログラムを立ち上げた幹部、ハルトムート・ネヴェン氏は、宇宙を連想させる銀色のジャケットとブーツを身につけ、記者団に語った。インタビューとブログ記事の中で、Google CEOのサンダー・ピチャイ氏は、この瞬間をライト兄弟の初飛行、地球の重力圏を初めて脱したロケット、そしてチェスチャンピオンのガルリ・カスパロフ氏がコンピューターに歴史的敗北を喫した瞬間に例え、喜びを露わにした。

巨大な比喩にもかかわらず、Googleの量子チームはその夜、盛大なパーティーの予定はなかった。ネヴェン氏は、もしかしたらちょっとしたディナーでも考えていたそうだ。「今はいろいろと忙しいんです」と、チームの若手メンバーが言った。

上部に青い炎があるアルミニウムのような構造。4本の梁で空中に吊り下げられている。

Googleの量子本社に見られた祝賀と厳粛さの融合は、まさにうってつけだった。同社の量子超越性実験は、量子コンピューティングにおける近年の急速な進歩を象徴する瞬間だ。巨大IT企業、スタートアップ企業、投資家、そして各国政府は、量子コンピューティングへの投資を加速させている。Nature誌の推計によると、量子関連技術に取り組む民間企業は2017年と2018年に4億ドルを調達しており、これは過去5年間の2倍以上の額だ。同時に、今日の量子技術が、たとえGoogleの覇者Sycamoreでさえ、いつ有用なもの、あるいは収益性の高いものに成熟するのかは誰にも分からない。

「これは技術的な画期的な出来事ではなく、科学的な画期的な出来事だ」と、カナダ高等研究機構の量子情報プログラムの共同ディレクターであり、ケベック州シャーブルック大学の教授でもあるデビッド・プーリン氏は言う。

Google と、IBM、Intel、そして資金力のあるスタートアップ企業などの量子分野のライバル企業はそれぞれ異なる技術を持っているが、共通の問題を抱えている。それは、量子プロセッサが小さすぎて不安定であることだ。

量子コンピューティングがもたらす膨大な計算能力は、量子ビットと呼ばれるデバイスに由来しています。量子ビットは、現実の目に見えない基盤となる量子力学的特性にデータをエンコードします。従来のコンピュータの構成要素と同様に、量子ビットは1と0のデジタルデータビットを操作することで計算を実行します。しかし、量子ビットは1と0が同時に重ね合わせられた第三の状態、つまり人間の日常的な経験では類を見ない量子力学的現象も実現できます。

研究者たちは数十年前、大規模かつ適切に制御された量子ビットの集合体があれば、従来のコンピュータでは不可能な問題、さらには暗号解読さえも解けることを証明しました。しかし、十分な信頼性で動作する量子ビットを十分な数だけ作るのは困難でした。

多数の量子ビットが自らの誤りを訂正し、おそらく数千個程度少ない、はるかに少ない数のほぼ完璧な量子ビットのように動作することを可能にする誤り訂正符号が発明されました。しかし、これを完全に実装した研究者はまだいません。

GoogleのSycamoreチップは54量子ビットを搭載している。IntelとIBMも超伝導チップをベースにした同規模のプロセッサを披露している。Googleが水曜日に示した大まかなロードマップによると、100万量子ビット以上の物理量子ビットを搭載したプロセッサを開発できれば、完全なエラーチェック機能を備えた量子プロセッサを開発できる可能性があるという。しかし、エラー訂正を実行するには、それらの量子ビットは現在のものよりもはるかに高い信頼性が必要となる。Googleの量子ハードウェア責任者であるジョン・マルティニス氏は水曜日、完全なエラー訂正を実行するには量子ビットのエラー率が1,000分の1である必要があると述べた。現在、GoogleのSycamoreチップのエラー率はその5倍以上だとマルティニス氏は付け加えた。

Googleは、その閾値を達成するために努力する一方で、量子プロセッサの構築と制御方法も刷新する必要がある。マルティニス氏は水曜日、量子プロセッサ上の超低温量子ビットと、それらを制御する従来型の電子機器のラックとの間を蛇行する配線の再設計にこだわっていることを認めた。Googleの量子超越性実験では、繊細な制御配線の1本が破損したため、Sycamoreチップの54量子ビットのうち53量子ビットしか使用できなかった。

「数百、もしかしたら数千の量子ビットまでスケールアップする方法はわかっていると思う」とマルティニス氏は述べた。「100万までスケールアップするのは本当に難しい」。水曜日、グーグルの量子チームの複数のメンバーは、エラー訂正機能を備えた量子コンピュータが登場するまでには約10年かかるだろうと推定した。

世界がGoogleやその競合他社が必要なブレークスルーを達成するのを待つ間、量子コンピューティングは研究者がNISQ時代（ノイズ付き中間スケール量子技術）と呼ぶ時代に停滞したままです。「百万ドルの価値がある疑問は、これらのデバイスを近い将来、エラー訂正なしで使用できるかどうかです」と、カナダ高等研究機構のプーリン氏は言います。

これに肯定的に答えることができれば、量子コンピューティングはより早く収益源となる可能性がある。しかし、プーリン氏は、NISQデバイスが実際に何ができるかを見極めるのは、主に試行錯誤の連続であり、理論だけで解決できるものではないと述べている。

Googleの量子研究者は水曜日、Sycamore量子超越性実験を暗号鍵用の乱数生成に応用することについて、同社のセキュリティ専門家と協議していると発表した。別のプロジェクトでは、Sycamoreのようなチップが、リアルな画像を生成する機械学習アルゴリズムにどのように役立つかを探っている。

同社をはじめとする量子ハードウェアを持つ企業は、初期顧客が同技術の有用性を理解する手助けをしてくれることを期待している。グーグルは水曜日、クラウド経由で量子ハードウェアへのアクセスを可能にする取り組みを進めていると発表した。これは、JPモルガンなどのパートナー企業と提携しているIBMや、製薬会社メルクなどの企業と提携しているスタートアップ企業リゲッティが提供する量子クラウドアクセスに類似している。

量子コンピューティングを研究している多くの企業は基礎科学に依存しており、インターネット技術よりも多くの忍耐力を必要とします。IBMの量子クラウドを活用し、Googleとも提携しているダイムラーは、バッテリー化学に関心を持っています。量子ハードウェアのスタートアップ企業IonQに投資しているエアバスは、新型航空機の物理シミュレーションの負担を軽減したいと考えていると、IonQのCEOピーター・チャップマン氏は述べています。「コンピューター自体はまだ完成していませんが、早期導入者は先発者利益を得ることになります」とチャップマン氏は言います。「マシンがデスクトップに落ちてから開発を始めても、おそらく手遅れです。」

IonQは、GoogleやIBMとは根本的に異なる技術、イオントラップを用いて量子ビットを構築している。同社は火曜日、AmazonやSamsung、そしてGoogleの親会社Alphabetを含む投資家から5,500万ドルの新たな資金調達を発表した。これは、量子超越性を量子実用化するにはまだ多くの課題があり、どの技術が勝利を収めるかは誰にも分からないことを改めて示している。

Googleが正しい方向に進んでいると確信しているかと尋ねられると、ネヴェン氏は技術に感傷的ではないと答えた。「シリコンバレーのモットー『パラノイアだけが生き残る』を信条にしています」と彼は指摘する。「もし量子ビットに関して、より優れた技術が登場したら、臆面もなく方向転換します」。それから彼は、宇宙時代のジャケットを輝かせ、比喩表現を駆使しながら、アルファベットの取締役会にその日のニュースを報告しに社内へと闊歩した。

更新、2019年10月25日午後12時40分（東部標準時）：この記事は、IonQへの資金提供にGoogleではなく、Googleの親会社であるAlphabetが参加していたことを反映するように更新されました。

WIREDのその他の素晴らしい記事