将来のフォールトトレラント量子コンピューターは、計算に必要な材料の準備にリソースの大半を割くことになるかもしれない。複雑な量子演算に必要な、1回しか使えない特殊なリソースであるマジック状態がその大きな理由だ。Googleによると、同社のWillowチップは現在、マジック状態をはるかに高い信頼性で準備できるという。
Google Quantum AIは 10月15日に発表した。Willowでマジック状態を蒸留したところ、蒸留していない状態と比べて準備エラーが約40分の1に減少したという。Scienceに掲載された研究では、マジック状態の一種であるT状態について、99.99%の論理忠実度が報告された。
簡単に言えば、Googleは複雑な量子計算に欠かせない材料を、はるかにうまく作れるようになった。この成果によって、エラーがあっても計算の信頼性を維持するよう設計された実用的なフォールトトレラントコンピューターがWillowで実現したわけではない。しかし、実用的な量子システムの拡張を難しくしてきたハードウェアコストを削減できる可能性がある。
マジック状態の蒸留がコストのかかる量子ボトルネックに挑む
フォールトトレラントな量子コンピューターには、計算の実行中にエラーを訂正する手段が必要だ。マジック状態を使えば、標準的なエラー訂正だけでは処理できない演算を実行できるが、各状態は1回しか利用できない。
Googleは、フォールトトレラント量子コンピューターの容量の最大95%がマジック状態の準備に消費される可能性を示す推計を引用している。同社の蒸留手法では、測定によってノイズの多い状態を精製し、エラーが検出された試行を破棄する。
研究者らはまた、蒸留した状態を距離3のカラーコードから距離5の表面コードへ移行できることを示したと、Interesting Engineeringは報じている。いずれも、エラーを検出・訂正できるよう量子情報を整理する手法だ。グラフティングと呼ばれるこの移行が重要なのは、準備したマジック状態が最終的には、計算を実行する大規模なエラー訂正システムと連携しなければならないからだ。ただし、この実験では、移行後も99.99%の忠実度が維持されたことまでは確認されていない。
eWeekが分かったこと：40倍改善しても量子コンピューティング対応とは限らない
この40倍の改善は、完全な量子コンピューターのコストや性能ではなく、状態準備時のエラーを測定したものだ。その 研究論文では、忠実度測定実験で試行の約8%を維持できたと報告している。この実験には追加の検証チェックも含まれていた。この数値を、将来のマジック状態工場における生産歩留まりとみなしてはならない。
量子コンピューティングのロードマップを検討する企業にとって重要なのは、必要な精度で利用可能な状態を供給するために、システムがどれだけのハードウェアと時間を必要とするかだ。エラーの低減には価値があるが、この実験では、実用的な計算に必要な状態を供給する総コストまでは明らかになっていない。
測定 | Willowの成果 | 意味すること |
マジック状態のエラー | 約40分の1に低減 | コストのかかる1つの工程の信頼性が高まったのであって、コンピューター全体が改善したわけではない。 |
T状態の忠実度 | 99.99% | この数値は準備した状態に適用されるもので、完全なアルゴリズムに適用されるものではない。 |
実験での維持率 | 約8%を維持 | 追加の検証チェックを含む。将来の生産歩留まりはまだ実証されていない。 |
グラフティング実験 | 54量子ビット | 完全なコンピューティングシステムではなく、より大規模なコードへの移行を実証した。 |
サイバーセキュリティについても、同じ注意が必要だ。CCNはYahoo Techを通じて、この実験はBitcoinを破る能力を実証したものでも、そのような攻撃がいつ可能になるかを示したものでもないと伝えた。マジック状態の準備が40倍改善したからといって、暗号攻撃に必要なハードウェアや時間が突然40分の1になるわけでもない。
セキュリティチームにとって、Willowは現在の暗号化が突然時代遅れになったことを意味しない。Googleはフォールトトレラントな量子コンピューティングの重要な構成要素の1つを改善したにすぎず、実際に暗号を解読できるシステムには、なお多くの構成要素を連携して安定稼働させる必要がある。
Googleにはなお、蒸留が大規模でも機能することを証明する必要がある
Googleは、マジック状態の蒸留が実際の量子ハードウェア上で機能することを示した。より大きな試験となるのは、より大規模なフォールトトレラントシステム全体で、はるかに多くのクリーンな状態を生成しながら、そのエラー優位性を維持できるかどうかだ。
企業が注目すべき数値
研究者らは、基盤となるハードウェアのノイズを半減できれば、マジック状態のエラーの上限を10万分の約2まで引き下げられると予測している。ただし、この改善は実証された結果ではなく、あくまで予測にとどまる。
量子コンピューティングを追う企業にとって、蒸留が有望な実験の段階を超えつつあるかどうかを示す指標は3つある。
- 成功率の向上：破棄される試行が減れば、同じハードウェアでより多くの利用可能なマジック状態を得られる。
- 大規模なテスト：量子ビットや状態の数が増えても低いエラー率を維持できることを、Googleは示す必要がある。
- ハードウェアのオーバーヘッド削減：最大の成果は、計算の実行ではなくマジック状態の準備に割かなければならない量子コンピューターのリソースを減らすことだ。
Willowは、エンジニアリング上のハードルを1つ乗り越えた。次の問題は、システムが大幅に大きくなってもGoogleがこの成果を維持できるかどうかだ。実用的な量子コンピューティングについて、40倍という数字だけよりもはるかに多くを語るのは、その点だろう。
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