ネイチャー誌の表紙：量子コンピューターの実用化はまだ2年先

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IBMは量子コンピュータが早ければ2年以内に実用化されると発表しました！

IBM チームは、Eagle 量子プロセッサ上で磁性材料の挙動をシミュレートすることに成功しました。

これは量子コンピューティングの実用化への最大の障害が克服されたことを示しています。

△「イーグル」チップを搭載した量子コンピュータ

この障害は「量子ノイズ」と呼ばれ、計算結果にエラーを引き起こす可能性があります。

研究チームはプロセッサ内の各量子ビットのノイズを一つずつ測定し、ノイズゼロの条件下でのシステムの状態を推測した。

観察と推論に基づいて、チームは新しい「エラー軽減」技術を開発しました。

チームはこの技術を使用して、127量子ビットのEagleプロセッサ上で複雑な計算を実行することに成功しました。

IBMの量子研究開発部門のシニアディレクター、サラ・シェルドン氏は、これまで解決できなかった問題を量子コンピューターで解決できるのではないかと考え始めていると語った。

当該論文はネイチャー誌の最新号に掲載され、表紙を飾りました。

この研究成果は、Nature Podcastの最新号でも紹介されました。

番組の中で司会者は、量子コンピューティングがあまり受け入れられていなかった時期に行われたIBMの動きは「非常に勇敢」だが「確固たる証拠があった」とコメントした。

IBM は今年後半に、1,121 量子ビットの Condor チップもリリースする予定です。

ノイズを除去できない場合はキャンセルする

量子もつれ効果の存在により、量子は 0 と 1 の 2 つの存在モードを持つだけでなく、それらの重ね合わせ状態も持つことになります。

これにより、量子コンピューティングは、0 と 1 の 2 つの状態しか持たない従来のコンピューターよりも大幅に効率的になります。

しかし現実には、量子コンピュータはまだ実用化されていません。

その理由は、ちょっと言葉に表せないほどです。量子コンピューティングは高速ですが、エラー率も非常に高いのです。

エラーの原因は量子ノイズです。

ハイゼンベルクの不確定性原理によれば、環境は常に変動するエネルギーで満たされており、温度が絶対零度まで下がってもそのエネルギーは除去できません。

量子粒子の終わりのない変動により、量子粒子間の混雑と衝突が発生し、これが量子ノイズの原因となります。

単一量子の場合、ノイズによって生じる誤差はそれほど大きくない可能性があります (1% 未満)。

しかし、量子コンピュータは多数の量子から構成される複雑なシステムであり、重ね合わせの後に各量子によって生成されるエラーは無視できなくなります。

IBMは、量子ノイズ問題を解決することに加え、量子プロセッサが一定の規模と計算速度を備えていることを保証することも必要だと考えています。

量子ノイズを除去するプロセスは量子エラー訂正と呼ばれ、エラーを訂正できるように 1 つの量子ビットを複数の量子ビットで記述することによって実行されます。

しかし、この考え方の欠陥は明らかです。これほど多くの量子ビットを制御することは不可能なのです。

したがって、量子ノイズに対処するために一般的に使用されるアプローチは、量子ノイズを直接排除するのではなく、その影響を相殺することです。

従来のエラー相殺方法は、エラー情報をリアルタイムで監視し、相殺アルゴリズムを確立することですが、量子ビットの数が増えると、パフォーマンスのボトルネックも発生します。

IBM チームは、このボトルネックを回避する新しいオフセット方式を開発しました。

このアプローチの中核となるのは、パルス伸張とゼロノイズ外挿という 2 つの主要技術です。

パルス伸張は、各量子ビットの動作時間を延長することで実現され、量子エラーが増幅され、観測しやすくなります。

このプロセスにおいて、IBM は物理学で一般的に使用されているイジングモデルを採用しました。

その最も基本的な仮定は、相互作用は最も近い隣接スピン間にのみ存在するというものです。

このプロジェクト特有のものとして、量子ビットの配置がモデル格子の配置を設定する基礎となります。

一貫した配置にもかかわらず、イジング モデルはプロセッサ ハードウェアとは独立して存在します。

ゼロノイズ外挿は、さまざまな比率で増幅した後に収集されたエラー情報に基づいて関数モデルを確立します (収集される量は従来の方法よりもはるかに低くなります)。

関数モデルに従って外挿されたゼロ点値は、誤差がない場合の計算結果です。

まだ一定の制限はあるものの、量子プロセッサはすでにこの方法でいくつかの誤差を相殺した後、いくつかの計算を実行できます。

IBM チームは、有効性の評価とスーパーコンピューターとの比較のために、結果をカリフォルニア大学バークレー校に送りました。

結果は、イーグルチップで駆動する量子コンピュータの計算結果が、従来のコンピュータの計算結果よりも真の値に非常に近いことを示しています。

しかし、IBM の研究者は、ノイズの影響を相殺するこの方法を使用するのは短期的な戦略にすぎないと指摘しています。

IBM はプロセッサに搭載される量子ビットの数も徐々に増やしている。

研究者たちは、2033年までに10万以上の量子ビットを持つプロセッサが製造され、その頃には量子エラーは根本的に解決されているだろうと予測している。

論文アドレス: https://www.nature.com/articles/s41586-023-06096-3