IBMは、量子チップ2基なら1基ではできないことが可能になると見込んでいる。だが、それらを確実に連携させられるかどうかが、1,000量子ビット構想の真の試金石になる可能性がある。
11月11日、IBMは次世代プロセッサー「IBM Quantum Nighthawk r3」を発表した。プログラム可能な520量子ビットで1万回の量子演算を実行できるよう設計されている。IBMは単一のシリコン基板に量子ビットを詰め込むのではなく、来年、r3チップ2基を接続して1,040量子ビットの単一マシンにする計画だ。
しかし、4桁の量子ビット数に到達することは課題の一部にすぎない。IBMは、プロセッサー同士が量子情報を確実に交換できること、そして大規模システムが結果を誤差に埋もれさせずに有用な計算を実行できることも実証しなければならない。
規模拡大より速度を優先
量子コンピューターは、統計的サンプリングによって答えを導き出す。つまり、プログラムを1回実行するたびに得られる結果は1つであり、複雑な問題には数十億回の反復が必要になる。9月に投入されたIBMの現行プロセッサーNighthawk r2は、実行の合間に量子ビットのエネルギーを高速に放出する専用ハードウェアによって、このボトルネックに対処している。
IBMによると、顧客とパートナーはNighthawk r2で340億回を超える回路を実行し、旧世代のHeronプロセッサーに比べて最大19倍の高速化を達成した。ドイツのエネルギー企業E.ONでは電力網最適化が15倍高速化し、Algorithmiqでは材料シミュレーションが8倍高速になった。
「有用な量子コンピューティングは、正確かつ高速に結果を提供できるかどうかにかかっている。どちらも基本的な要件だ」とJay Gambetta氏（IBM Researchディレクター）は述べた。
ロードマップを書き換える
単一チップを超えて規模を拡大するため、IBMはlカプラーと呼ばれるモジュール式インターコネクトに加え、15ミリケルビン未満まで冷却する低温冷凍機を連結して利用する。
Ars Technicaは、このデュアルチップ計画によってIBMの従来のロードマップがひそかに形を変えたと指摘している。IBMは当初、120量子ビットのチップ3基を接続して2026年に360量子ビットのシステムを構築し、さらに小型のプロセッサー9基を連結して2027年に1,080量子ビットのシステムを構築する計画だった。
その代わりにIBMは、2026年のマルチチップシステムを見送り、Nighthawk r3のプログラム可能な量子ビット数を4倍に増やした。これにより、チップ上の物理デバイスの総数は2,034個となり、9基ではなく2基のプロセッサーを接続するだけで済む。
eWEEKが見いだしたこと：実用的な量子コンピューティングに足りないもの
一方、IBMのハードウェア発表はスループットが急速に向上していることを示しているが、技術開示を詳しく調べると、現在のマシンと商用レベルの耐故障性を隔てる3つの重大なギャップが依然として存在する。
インターコネクトの忠実度ギャップ
別々の量子プロセッサーを接続することは、コンピューティングにおける最も難しい工学上の課題の1つであり続けている。IBMによると、初期のNighthawk r1プロセッサーを4基のlカプラーで接続した場合、量子状態転送の忠実度はピーク時で99.3％（平均99.0％）だった。
この差が重要なのは、チップ間で量子情報を転送する際に生じる誤差が、システムの拡大に伴って蓄積する可能性があるためだ。その結果、複数プロセッサーによる信頼性の高い計算は達成しにくくなる。
さらに、IBMの量子システム担当バイスプレジデントであるOliver Dial氏はArs Technicaに対し、誤り訂正済み量子ビットを搭載したチップを効果的に接続するには、カプラーが何基必要なのかを同社はまだ検討中だと語っている。
実証されていないハードウェアとベンチマーク
Nighthawk r3は、商用提供されているシステムではなく、2027年に計画されたプロセッサーにとどまっている。IBMの現在の性能値は旧世代のハードウェアに基づくものであり、より大型のチップのエラー率、信頼性、負荷の高いワークロードでの性能はまだ実証されていない。
論理量子ビットの不足
物理量子ビット数が増えたからといって、より信頼性の高い計算能力に自動的につながるわけではない。耐故障性量子コンピューターは、複数の物理量子ビットを組み合わせて誤り訂正済みの論理量子ビットを作る。論理量子ビットは、ハードウェアの誤りがあっても情報を保持できるよう設計されている。
IBMのNighthawkロードマップは、エラー緩和によって短期的な量子コンピューティングを改善することに重点を置いている。一方、別途用意された耐故障性ロードマップは、継続的な誤り訂正が可能なシステムを目標としている。
したがって、1,040物理量子ビットへの到達は規模拡大の節目ではあるが、IBMが耐故障性コンピューティングを実現した証拠にはならない。
企業向けのポイント
企業のITリーダーにとって、IBMが高性能な従来型コンピューティングと量子ワークフローをより緊密に統合していることは、ハイブリッドな実験が現在でも実行可能であることを示している。このアプローチにより、RIKENとCleveland Clinicは6億800万件の生物学的サンプルを33倍高速に処理できた。
ただし企業は、2027年の1,040量子ビットシステムを、従来型インフラに取って代わるものではなく研究上の節目として捉えるべきだ。実運用の計画は、耐故障性Starlingシステムに向けたIBMの2029年目標に近い時期を軸に置くのが望ましい。
その間、量子コンピューティングを検討する企業は、従来型システムが大きな計算上の困難に直面するワークロードの特定に注力できる。
材料科学、分子シミュレーション、最適化における初期段階の実験は、量子の能力が将来的に測定可能なメリットをもたらし得る領域を企業が見極める助けになるだろう。
IBMにとって次の課題は、より大型のプロセッサーを接続した際にも信頼性の高い性能を維持できることを実証することだ。
改訂されたロードマップの成否は、より多くの量子ビット数に到達できるかどうかだけでなく、追加された量子ビットが、許容できないほどの誤差を生じさせずに、より複雑な計算を支えられるかどうかにもかかっている。
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