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IBMの量子プロセッサーが、19秒でサンプリングベンチマークを完了した。研究者らのシミュレーションモデルによれば、Frontierスーパーコンピューターで同じ処理を実行すると、およそ110年かかるという。
9月23日にarXivで公開された研究論文で、研究者らはIBMの120量子ビットプロセッサーNighthawk r2を用いて量子計算上の優位性を示した。ランダム回路サンプリングとして知られるベンチマークを実行し、同システムは19秒で100万件のサンプルを生成した。テンソルネットワーク・シミュレーションモデルを使った試算では、Frontierで同等の忠実度のサンプルを生成するには、およそ110年かかり、1.2 × 10²⁷回の浮動小数点演算が必要になるという。19秒という数字はサンプリング実行時間を指しており、実験全体では量子プロセッサーを約11分間稼働させた。
「私たちの知る限り」と著者らは記している。「これは、専門家ではない量子コンピューター利用者の大半でも容易に再現できる、商用かつ広く利用可能な量子プロセッサーで、標準的なランダム回路サンプリングによる量子優位性を実証した初めての例だ」
研究室の外へ踏み出す
Googleが2019年、53量子ビットのSycamoreデバイスで量子優位性を達成したと主張して注目を集めた際、そのテストは一流の研究施設内にある専用ハードウェアで実施された。これに対してBlueQubitのチームは、IBMのパブリッククラウドプラットフォーム経由でNighthawk r2にアクセスした。標準的なクラウド実行スタックを利用し、61量子ビット、36サイクルの回路を実行する前に、ベンチマーク専用のカスタムキャリブレーションは適用していない。
回路実行の高速化は改善点の1つだが、この研究ではNighthawk r1を上回る忠実度の向上も報告されている。IBMのNighthawk r2は、前世代のNighthawk r1と同じく、プログラム可能な120量子ビットを搭載する。IBMはそのスループットを、別系統のHeronプロセッサーファミリーと比較している。一方、Nighthawkでは各量子ビットに専用のハードウェアリセット機構を直接組み込んでいる。
IBMによると、リセット機構によって量子ビットの実効エネルギー緩和時間は約200マイクロ秒から約25ナノ秒に短縮され、回路実行間のアイドル時間を最短1マイクロ秒まで縮められる。IBMの報告では、スループットは毎秒10万回を超え、Heronの約4,000回を上回る。これとは別に、IBMは より大規模な量子システムを支えるモジュール式の極低温インフラの開発も進めている。
アーキテクチャの実態とトレードオフ
110年という推定値には、標準的な但し書きがある。この試算は、作業メモリーに制限がなく、Frontierの理論上のピーク性能の20％を利用できることを前提としている。また、特定のサンプリング戦略に適用されるものであり、あらゆる古典的手法の最短実行時間を示すものではない。古典コンピューティングの研究者はこれまでにも、こうした時間差を縮める巧妙なアルゴリズム上の近道を編み出してきた。
さらに、ランダム回路サンプリングは、現実の物流や化学の問題を解決するアプリケーションではなく、計算上の隔たりを示すために特別に設計された合成的な数学ベンチマークである。今回の成果はarXivのプレプリントとして公開された。量子エラーを減らす別の方法として、超流動ヘリウムを用いた量子ビットアーキテクチャの提案など、別の研究も進められている。
eWeekの見解：ベンチマークの速度だけではビジネス価値は判断できない
量子サービスを評価するエンタープライズチームにとって有用なのは、回路のスループットだけでなく、精度、アクセス費用、想定するワークロードでの性能も併せて評価することだ。このサンプリングベンチマークは、物流、化学、その他のビジネスアプリケーションで優位性があることを示すものではない。別途、 IBMのDARPA量子ベンチマーキング・イニシアチブにおける進展についても、計算による価値がコストを上回るかどうかを焦点に、独立した検証が行われている。
パイロット導入を決める前に、各チームは最良の古典的選択肢とのエンドツーエンド比較を依頼すべきだ。そこには、キュー待ち時間、前処理、エラー緩和、総コストを含める必要がある。こうした測定によって、回路実行の高速化がビジネス価値につながるかどうかを判断しやすくなる。
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