グーグルの量子コンピューターによる「量子超越性の実証」が、本当に意味すること

科学の世界においては、必ずしも予期していなかった状況で物事が飛躍的に前進することがよくある。9月半ばに米航空宇宙局（NASA）のウェブサイトに誤ってアップロードされたとみられるある論文の草稿によって、一部の人たちの間では蜂の巣をつついたような騒ぎが起きている。そこにはグーグルの研究チームが「量子超越性（quantum supremacy）」を実証したと書かれていたのだ。

グーグルや競合のテクノロジー大手は、かなり以前から量子コンピューターの実用化に向けた努力を続けてきた。グーグルは2017年、年内に量子超越性を検証すると宣言したが、具体的な成果などは発表されないまま時間が過ぎていった。この間、IBMとインテルも量子ビット［編註：量子コンピューターの情報単位のこと、キュービットとも呼ぶ］の数を徐々に増やして実験を続けている。

しかし、NASAのサイトにアップロードされた論文が正しければ、グーグルは他社より先に重要な到達点に達したようだ。論文には「Sycamore」と呼ばれる53量子ビットの量子プロセッサーを搭載したマシンが、世界最速のスーパーコンピューターでも1万年かかる問題を3分20秒で解いたと記されている。グーグルはNASAと共同研究を進めていた。なお、グーグルはこの件に関してメディアからのコメントの要請には一切応じていない。

一方で、このブレークスルーによって量子コンピューターがいますぐに実用化されるというわけではない。ただ、量子コンピューティングの世界で次の時代に向かうための扉が開かれたことは確かだ。

量子超越性の意味すること

その前に、量子超越性とは何かを考えてみよう。オックスフォード大学教授で量子技術の専門家であるサイモン・ベンジャミンは、量子超越性とは「量子コンピューターを使えば、古典的コンピューターと呼ばれる従来型のコンピューターでは不可能だったことができる」ことだと説明する。つまり、グーグルは量子コンピューターは古典的コンピューターより優れていることを証明しただけで、大騒ぎするほどのことではないというのだ。

グーグルの論文では、量子コンピューターにランダムな命令を出す一方で、スーパーコンピューターに量子コンピューターの計算結果を予測させた。スーパーコンピューターによる予測が不可能なら、その命令は量子コンピューターにしかできないことになるからだ。

ただ、これは量子コンピューターと古典的コンピューターは違うものなのだということを証明する以外には、実質的な意味をもたない。だとすれば、量子超越性そのものが無意味だと言うこともできる。ベンジャミンは「本当にすごいものを手に入れる上で必要な通過点ではありますが、すぐに結果が出るということではありません」と話す。

量子超越性という言葉を考え出したのは理論物理学者のジョン・プレスキルだが、ベンジャミンを含め、この概念が大げさに語られすぎていると指摘する研究者もいる。世の中では量子コンピューターはターミネーターのようなとんでもない怪物だと思われているが、実際は既存のコンピューターより技術的に優れているというだけで、ベンジャミンはこれを正確に伝えるために、例えば「量子唯一性（quantum inimitability）」のような別の用語を使うべきではないかと提案する。

量子コンピューターでしか処理できない問題

ただ、実質的な意味をもたないなら重要性が低いということではない。ユニヴァーシティ・カレッジ・ロンドンの量子科学技術研究所のトビー・キュビットは、「（量子超越性の実証によって）量子コンピューターが古典的コンピューターでは真似できない処理を行っていることが、かつてない高い信頼性をもって証明されたのです」と説明する。つまり、量子コンピューターが秘めている可能性が証明されたわけで、これは大きなニュースだろう。

IBMは2017年10月、スーパーコンピューターを使った56量子ビットの量子コンピューターのシミュレーションに成功した。この話を聞くと、スーパーコンピューターでシミュレーションできるのなら、なぜ実際に量子コンピューターを組み立てなければならないのだろうと思わないだろうか。しかも、それは巨大で絶対零度に近いような超低温でないと動かせないような面倒な代物なのだ。

しかし今回のグーグルの論文によって、量子コンピューターでしか処理できない種類の問題があることが確認されたのである。同時に、量子コンピューターに解かせるための問題を設計するという、新しいタスクも生まれるだろう。

「NISQ 」での成果の意味

グーグルの研究は、もうひとつ大きな意味をもつ。量子超越性の実証により、量子コンピューティングは新しい時代に入ろうとしているのだ。

現在の量子コンピューターは「NISQ（Noisy Intermediate Scale Quantum）」と呼ばれるエラーの訂正能力が低いものである。簡単に言えば、量子コンピューターとしてはまだ不完全な状態で、分子の相互作用の計算や複雑な暗号コードの解読といった古典的コンピューターでは不可能な処理をするには十分ではない。

現状では、最高レヴェルとされる量子コンピューターでも悲惨なエラーを起こすことがよくある。何百万もの計算で構成されるプログラムを処理する際に、計算1,000回ごとに1回の割合でエラーが出るようでは、使い物にはならない。つまり、量子超越性を証明したグーグルのSycamoreでさえ、実用という意味ではまったく意味をなさないのだ。

NISQの時代にあって行われているのは、エラーやノイズには目をつぶっても、とにかく動く量子コンピューターを完成させることである。オックスフォード大学のベンジャミンによれば、現段階では不完全なマシンから価値を引き出す方法を考え出すことが鍵になる。

例えば、エラーの多い量子コンピューターでも実行できるようなシンプルなプログラムを開発するというのは、ひとつのやり方だ。また、量子ビットの少ない小規模なマシンでも結果を出せるように、ハードウェアの改良に取り組むこともできる。

NISQマシンで一定の成功を収めるというこの目標は、「量子優位性（quantum advantage）」と呼ばれる。ベンジャミンは「不完全なマシンで結果を出そうという試みです。そうすれば、少なくとも量子コンピューターを有用なツールとして使える段階に進むことができます」と説明する。

レースは始まったばかり

量子の優位性が確立されれば、非常に大きな数の因数分解や量子力学のモデリングなど、量子コンピューターだけが解決できる課題について考えられるようになるだろう。ただ、そのためには、いまあるNISQマシンとはまったく別種の量子コンピューターが必要になる。完璧なエラー耐性をもち、数百万の量子ビットを使用して計算を実行できるようなマシンだ。

この分野では、現在はグーグルが頭ひとつ飛び抜けている。その一方で、いまは主流である超電導量子回路を用いたマシンが、将来的にも量子コンピューティングの基本形であり続けるかはわからない。

オックスフォード大学のナタリア・アレスは、「どのような種類のハードウェアなら100万量子ビットのマシンを実現できるのか、予測するのは困難です」と言う。量子コンピューティングの黎明期にあってはイオントラップ型が一般的だったが、グーグルやIBMが採用している超電導量子コンピューターのおかげで、性能は飛躍的に伸びた。

アレスはまた今回のニュースについて、刺激的ではあるが、いますぐに量子コンピューターの時代がやってくるといった過度な期待をすべきではないと指摘する。現時点で最高の量子プロセッサーは、グーグルが開発した「Bristlecone」という72量子ビットのものだが、これでさえ量子優越性を実証できていないのだ。

量子コンピューティングに期待されるような本当に複雑な処理をするには100万量子ビットが必要であり、そこに到達するにはまだ長い時間がかかる。アレスは「量子コンピューターで明らかに有用なことをやるにはほど遠い状況ですが、徐々に進歩はしています」と語る。いまはグーグルがリードしているが、レースは始まったばかりなのだ。

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TEXT BY MATT REYNOLDS

TRANSLATIOn BY CHIHIRO OKA