IBMの最新量子チップが100量子ビットの壁を突破

IBMは今週、Eagleと呼ばれる127量子ビットの量子コンピューティングチップを発表し、最も強力な量子コンピューターの開発競争における新たな資産を披露した。

彼らのチップは、中国科技大学の合肥国立物理科学研究所、Google、Microsoftなどのチップと競い合うことになる。

Eagle は、25 セント硬貨ほどの大きさの量子プロセッサです。情報を 0 または 1 ビットとしてエンコードする通常のコンピュータ チップとは異なり、量子コンピュータは情報をキュービットと呼ばれるもので表現できます。キュービットは、重ね合わせと呼ばれる独自の特性により、0、1、またはその両方の値を同時に持つことができます。IBM によると、1 つのチップに 100 を超えるキュービットを保持することで、Eagle は「アルゴリズムの実行に必要なメモリ領域」を増やすことができ、理論的には量子コンピュータがより複雑な問題に取り組むのに役立つとのことです。

「量子コンピューターの将来性に人々は何十年も期待してきました。なぜなら、従来のコンピューターや古典的コンピューターでは実行できないアルゴリズムや手順を量子コンピューターで実行できることがわかってきたからです」と、IBMと共同研究するウォータールー大学量子コンピューティング研究所の准教授、デビッド・ゴセット氏は言う。「特定の問題の解決を加速させることができます。」

ここでは、これらの新しいチップ、そして量子コンピューティング全般について知っておくべきことを紹介します。

量子コンピュータが役立つかもしれない方法

こうした高度な技術を見ると、次のような疑問が湧いてきます。量子チップは一体何の役に立つのでしょうか?

科学者が量子コンピューターが従来の機械よりも優れていると理論づけているタスクには、3 つの大きなカテゴリがあります。物理学者のリチャード・ファインマンとデイビッド・ドイチュが 1980 年代に初めて量子コンピューターを提案したとき、彼らのアイデアは、古典的なアルゴリズムや従来のコンピューターでは正確に表現できない分子などの量子システムをシミュレートするために量子コンピューターを使用するというものでした。

量子コンピューターは、1990年代に数学者ピーター・ショアが初めて提案した因数分解などの特定の数学的機能にも長けています。インターネット上でデータを暗号化する特定の暗号化システムは、この問題の難しさを利用していました。「量子コンピューターを使用して、現在従来のコンピューターで使用されている暗号化の一部を破ることができるのは事実です」とゴセット氏は言います。「しかし、ポスト量子暗号と呼ばれる分野があり、その分野では、破られにくい新しい従来の暗号システムの開発を目指しています。」

最後に、量子コンピュータは、コンピュータ科学者のロヴ・グローバーが初めて導入したアルゴリズムのおかげで、従来のコンピュータに比べて、ソートされていないデータベースの検索を高速化できるようになりました。

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最近では、IBM の顧客の中には、分子や化学の問題のダイナミクスをシミュレートするために量子コンピュータを使用しているところもあれば、機械学習や最適化タスクに量子コンピュータを適用しようとしているところもあります。

Eagle チップにつながる旅は、IBM が Quantum Experience と呼ばれるクラウド上の 5 量子ビット量子コンピューターをリリースした 2016 年に始まりました。それ以来、同社は量子ビットの数を増やした一連のチップをリリースしてきました。これらはすべて鳥にちなんで名付けられており、それぞれに独自の技術的課題があります。

IBM の量子コンピューティング ハードウェアは、超伝導回路で構成されています。量子ビット自体は、ニオブと呼ばれる超伝導材料で作られています。システムのレイアウトは、コンデンサと並列に接続されたインダクタのように見えます。これら 2 つの要素は回路内の電流の流れを制御し、インダクタはジョセフソン接合と呼ばれる非線形要素で、酸化アルミニウムのナノスケール接合です。このタイプの超伝導量子ビットは、2000 年代にイェール大学で開発され、実際には、一連のマイクロ波パルスによって制御できる人工原子のように見えます。

ハヤブサとハチドリの飛行

量子チップの一般的な仕組みは次のとおりです。

基本的に、すべての量子チップは、量子プロセッサを操作するための電子回路を備えた制御システムに接続されています。量子チップは、ワイヤを介して量子ビットにパルスを送ることができます。「マイクロ波を照射するか、特定の周波数の信号を送ることで量子ビットと通信します。各量子ビットには独自の周波数が付けられており、これは光の色に似ています。各量子ビットに独自のシリアル番号があるようなものです」と、ウォータールー大学量子コンピューティング研究所の教授、クリストファー・ウィルソンは説明します。

27 量子ビットの Falcon チップでは、IBM のエンジニアは、自分たちが作ったジョセフソン接合を正確に調整する方法を考え出さなければなりませんでした。「ジョセフソン接合を作ると、その製造過程で、これらの量子ビットが最終的に配置される場所の総エネルギーにいくらかの広がりが生じます」と、IBM Quantum の量子ハードウェア システム開発ディレクター、ジェリー チョウは言います。それぞれが適切なエネルギーを持つ大量の量子ビットを作るために、彼らはレーザー アニーリング技術を考案しました。これにより、チップを製造した後で量子ビット周波数を適切な場所に調整できるようになりました。

Eagle の直前のチップは 65 量子ビットの Hummingbird でした。そこでのハードルは、個々の量子ビットの読み出し方法にありました。

「これらすべての量子ビットを制御するために配線を配線し、読み出すために配線を配線し、システム全体を [クライオスタット] に入れて冷却、冷凍する必要があります」と Chow 氏は言います。「私たちは、8 量子ビットごとに 1 つの読み出しチェーンを使用できるような方法でチップを設計しました。これは、冷凍システム内に保持するコンポーネントの総量に影響します。」

同社の現在のチップである Eagle には、効率的な配線方式が必要でした。「100 [量子ビット] レベルに達すると、実際に各量子ビットに対応する配線を引き込むのは非常に困難です。これは単にスペースの問題です」と Chow 氏は言います。以前のバージョンでは、チップは「バンプ ボンディング」されていました。つまり、1 つのチップに量子ビットがあり、別のチップに配線の一部があるということです。「その場合でも、規模が大きくなるにつれて、すべての配線を適切な場所に引き込むのは非常に困難です。」

しかし、Eagle チップには、マルチレベル配線を可能にする一連のレイヤーが含まれています。「Eagle に搭載されている量子ビットの数に対応するために、信号をファンインおよびファンアウトできる制御回路をさらに多く組み込むことができます」と Chow 氏は言います。IBM は、ブログ投稿のインタラクティブ アニメーションで、これらのレイヤーを上から下まで、量子ビット プレーン、共振器プレーン (量子ビットの読み出し用)、配線プレーン (信号を量子ビット プレーンにルーティング)、およびインターポーザー (信号を送信) に分解しました。この設計は、半導体技術で一般的なマイクロプロセッサー (従来のコンピューター チップを想像してください) からヒントを得ました。

Eagle チップのもう 1 つの特徴は、量子ビットを保持する六角形の格子構造です。「この回路要素が量子ビットであり、量子ビットを接続する必要があるという考え方です」と Chow 氏は説明します。量子ビットはハニカムのような配置で配置されます。頂点と辺ごとに量子ビットがある様子を想像してください。量子バスと呼ばれる回路要素は、隣接する量子ビットをリンクするために使用されます。格子設計は Falcon チップにまで遡ります。これにより、1 つのグラフに高密度の量子ビット配列を配置できるようになりました。量子ビット間のエネルギー衝突の量が減るため、エラー率が低下し、量子ビットのコヒーレンス時間を維持できます。

コヒーレンス時間とは、量子ビットが波のような量子重ね合わせ状態に留まる時間を指します。しかし、量子ビットが互いに、また周囲の配線と通信すると、量子情報が漏れ出し、デコヒーレンスが発生します。コヒーレンス時間と量子ゲートの実行にかかる時間は、「実行できる計算の規模に制限を設ける」とウィルソン氏は言います。

Eagle のコヒーレンス時間は 70 ～ 110 マイクロ秒の範囲で、「当社の以前の世代の Falcon プロセッサの中央値と同等」だと Chow 氏は言います。しかし、Eagle と並行して開発中の新しい世代の Falcon では、コヒーレンス時間の中央値を 300 マイクロ秒まで引き上げることができたと Chow 氏は主張しています。

「すべての量子ビットをテストし、すべてのゲートが機能していることを確認しました。現在も、すべてのゲートを微調整し、忠実度を高め、エラーを少なくしています。エンタングルメントの簡単なデモンストレーションも行いました」とチョウ氏は言います。「エンタングルメントを完全に特性評価する中で、品質を測定するための量子ボリュームや、速度を測定するための CLOPS [1 秒あたりの回路層操作数] などのテストを実施する予定です。」

次期オスプレイの最新冷却システム

IBM は将来、さらに大きなチップの開発を視野に入れている。Osprey と呼ばれるチップは 400 量子ビットで飛行し、Condor と呼ばれるチップは 1,000 量子ビットで飛行する。しかし、このような高密度接続の場合、現在のシャンデリア 1 個だけのシステムではシステム全体を冷却するには不十分かもしれないと Chow 氏のチームは考えている。

現在のシャンデリア クライオスタットと、量子コンピューターを取り巻く配線および制御電子機器を収容する System One コンテナは、アップグレードの時期を迎えています。「重要な点は、極低温環境のためにさらにスペースが必要なことです。そのため、冷蔵庫も大型化します」と Chow 氏は言います。「私たちは Bluefors と提携して、より広くて使いやすい冷蔵庫のスペースがどのようなものになるかを想像してきました。」

数字は重要だが、それがすべてではない

過去数年間の量子コンピューターのほとんどが50～70量子ビットの範囲で推移していたため、100量子ビットの壁を破ったことは注目に値すると多くの専門家が同意している（2019年に「量子超越性」を達成したGoogleのコンピューターは53量子ビットだった）。

背景として、古典的コンピュータのメモリ内で量子状態を表現するコストは、追加される量子ビットごとに指数関数的に増加します。

「40 または 50 量子ビットについて言えば、十分なコンピュータ メモリを備えたマシンが世界には存在します。おそらく、それらは巨大なスーパーコンピュータでしょう」とゴセット氏は言います。「それは、途方もない量のディスク領域を使用して量子状態をメモリに保存できる限界です。しかし、100 量子ビットでは、完全な量子状態をコンピュータ メモリに保存することは実際には不可能です。」

しかし、専門家は、量子コンピューターが実際に有用であるかどうかは、量子ビットの数だけでは決まらないと述べている。「デバイスの接続性、つまり異なる量子ビット間にゲートを適用する能力が重要です」とゴセット氏は付け加える。「量子ビットの忠実度、つまりデバイス内で発生するエラー率も関係します。」

量子コンピュータを作る方法は1つだけではない

超伝導量子ビットは量子コンピュータの構築に最もよく使われる材料だが、もちろんそれが唯一の方法ではない。「IBMとGoogleは超伝導量子ビットに取り組んでおり、Microsoftはトポロジカル量子ビットと呼ばれるより初期のアプローチに取り組んでいる」とコロンビア大学の物理学助教授セバスチャン・ウィル氏は言う。「どちらの技術も、従来のコンピュータで知られているシリコンチップに似た製造技術とアプローチに部分的に依存している。」

しかしウィル氏は、捕捉されたイオンや中性原子に基づくシステムなど、他の有望な量子コンピューティング プラットフォームも存在すると指摘しています。「多くの点で、イオンや中性原子に基づく量子コンピューティング システムは、超伝導量子ビットよりも単純です。量子ビットを製造する必要がないためです」とウィル氏は言います。「自然は単にイオンや原子の形で量子ビットを提供しているだけです。」

たとえばハネウェルは、イオンを閉じ込めるために電磁場を使用し、それをエンコードするためにマイクロ波信号とレーザーを使用する、イオン閉じ込め量子コンピューターを開発している。しかし、概して、こうしたコンピューターは大学の研究室や小規模な新興企業でよく見られる。

量子コンピューターのハードウェア エンジニアリングは従来のコンピューターよりも複雑なため、「実用的な量子コンピューターにとって最も有望なハードウェア プラットフォームが何であるかは、現時点では明らかではありません」とウィル氏は言います。「最も説得力があるのは、量子コンピューターが従来のコンピューターよりも優れた方法で関連する現実世界の問題を解決するというデモンストレーションです。」