近年、量子コンピュータは規模、品質、速度において飛躍的な進歩を遂げているが、IBMによると、量子エラーの緩和、つまり今日の量子ハードウェアから将来のフォールトトレラントな量子コンピュータへの継続的な道筋は「物語から抜け落ちているようだ」という。
同社は新たに発表した研究論文の中で、最初のステップと最終目標は「実証済みの超多項式による高速化を備えた量子アルゴリズムを実装する前に」大規模なフォールトトレラント量子プロセッサを構築することだと述べている。
一般的に量子エラー軽減と呼ばれる技術の最近の進歩により、この目標に向けたよりスムーズな道筋が可能になりました。
参照：量子コンピューティング：チートシート（TechRepublic）
「この道筋において、量子ビットのコヒーレンス、ゲートの忠実度、そして速度の進歩は、計算における目に見える優位性に直ちに繋がります。これは、古典コンピュータで歴史的に見られた着実な進歩に似ています」と、同社は火曜日のブログに記しています。「実用的な量子コンピューティングの究極の試金石は、有用な問題に対して古典的アプローチよりも優位性を提供することです。このような優位性は様々な形で現れますが、最も顕著なのは、量子アルゴリズムの実行時間を、最良の古典的アプローチよりも大幅に向上させることです。」
これには、アルゴリズムを量子回路として効率的に表現する必要があり、そのためには2つの疑問に取り組む必要があります。1つ目は、どの問題が従来のアプローチよりも優れた解を持つ量子回路にマッピングできるかを見つけることです。
2 つ目は、より高速な実行時間を持つ量子ハードウェア上でこれらの回路に対してどの程度信頼性の高い結果が得られるかを確認することです。
最初の質問への回答として、IBMは、従来の方法ではシミュレーションが困難であることが知られている量子回路で解決可能な問題を見つけるために、コミュニティや業界の専門家と協力していると述べました。IBMは既に、フォーチュン500企業、学術機関、国立機関、スタートアップ企業、そしてQiskitコミュニティで構成されるIBM Quantum Networkを通じて、量子回路の問題空間を探求し、実際の応用と価値の創出を目指しています。
2番目の質問に実際に答えるのは、より困難です。IBMによると、現在の量子ハードウェアは様々なノイズ源の影響を受けており、最もよく知られているのは量子ビットのデコヒーレンス、個々のゲートエラー、そして測定エラーです。
「これらのエラーは、実装可能な量子回路の深さを制限します」とIBMは述べています。「しかし、浅い回路であっても、ノイズによって誤った推定値が得られる可能性があります。幸いなことに、量子エラー軽減技術は、フォールトトレランスを導入する前であっても、ノイズの多い浅い深さの量子回路から正確な期待値を評価できるツールと手法を提供します。」
IBMが推奨するツールとテクニック
エラー軽減
確率的エラーキャンセルは、回路自体にノイズがあっても、ノイズの多い回路を効果的に反転してエラーのない結果を得るために使用される「秘密のソース技術」です。
規模
2021年、IBMは、従来はシミュレートできない量子回路を実現できる初の量子プロセッサである、127量子ビットのEagleプロセッサを発表しました。
5月に発表された拡張量子ロードマップに詳述されているように、システム内の量子ビットの数は2023年に4,000以上に達する見込みです。量子ハードウェアとソフトウェアのパワー、品質、アクセシビリティを向上させるために計画されたマイルストーンは、量子優位性の基盤となるでしょう。
ハードウェアの改善
同社は、より大型のプロセッサが発表された後も、ニューヨーク州ヨークタウンハイツの研究本部でそのパフォーマンスの向上を続けている。
こうした改良点の一つは、量子ビットのコヒーレンス性です。IBMによると、65量子ビットチップは2020年の発表以来、コヒーレンス時間を2倍以上に向上させており、改良を重ねるごとに量子回路のエラーがさらに減少しています。
これらの要因は指数関数的に作用し、互いの効果を増幅させます。
「これらすべてを総合すると、量子コンピュータはこれまで以上に巨大になり、エラー率はこれまで以上に低くなります」とIBMは記している。「そしてこれにより、私たちは古典コンピュータを凌駕する量子コンピュータ、つまりより高速で、より優れた、より効率的な計算を実行できる量子コンピュータを実現できる軌道に乗ることになります。」
プロセッサの改良
同社はまた、これらのアイデアは理論の域を超えており、関係者らはすでに大規模プロセッサにおけるエラー軽減の有効性の実証を開始していると指摘した。
IBMは、量子優位性への道筋は、量子システムの規模が拡大し、ますます複雑な回路に対応できるようになるにつれて、その品質と速度の向上によって推進されると述べた。同社は既に、量子システムの速度を定量化する指標であるCLOPを導入し、分子シミュレーションの実行時間を120分の1に短縮することを実証している。
「当社のトランスモン量子ビットのコヒーレンス時間は1ミリ秒を超えました。これは超伝導量子ビット技術にとって驚異的なマイルストーンです」とIBMは述べています。「その後、これらの改良は当社の最大規模のプロセッサにも適用され、65量子ビットのハミングバードプロセッサではコヒーレンスが2～3倍向上し、より高忠実度のゲート処理が可能になりました。」
最新のFalcon r10プロセッサであるIBM Pragueでは、2量子ビットのゲートエラーが0.1%未満に低下しました。IBMは、これは「超伝導量子技術にとってまたしても初の快挙であり、このプロセッサは量子ボリューム256と512の2段階を実証できる」と述べています。
