Googleは2019年10月23日、量子コンピュータの性能がスパコンの性能を超えたと発表した。Googleは世界で初めて「Quantum Supremacy(スパコン越え)」に到達したとアピールした。このベンチマークでは量子プロセッサ「Sycamore」が使われ、単純なゲート操作を実行した。徐々にQubitの数と実行回数を増やして実行され、スパコンでは計算できない規模に到達した。この規模の演算はGoogleの量子コンピュータを使うと200秒(3分20秒)でできるが(下の写真左側)、最速スパコン「Summit」を使っても1万年かかると推定した(下の写真右側)。一方、IBMは同じタイミングで論文を発表し、これをスパコンで実行すると2.5日で解けるとし、GoogleはQuantum Supremacyに到達していないと反論した。両社の意見が真っ向から対立し、市場はこの発表をどう受け止めるべきか困惑が広がっている。

出典: Google |
量子プロセッサ
Googleは科学雑誌Natureに論文「Quantum supremacy using a programmable superconducting processor」を掲載し、その内容を明らかにした。このベンチマークはGoogleの量子プロセッサ「Sycamore」(下の写真、プロセッサの外観)で実行された。Sycamoreは54Qubit構成のプロセッサで、ベンチマークでは53Qubitが使われ、量子ゲート(Quantum Gate)が構成された。

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量子ゲート
量子ゲートは基本演算の論理ゲートとなり、これらを組み合わせて単純な処理を実行し、その結果が計測された。(下のグラフィックス:量子ゲートの事例。左端がSycamoreでXの部分がQubitを示す。Qubitは接続装置(Coupler、A・B・C・Dで示される部分)を経由して隣の4つのQubitに接続される。Qubitは単独で、また、二つのQubitを連結して実行された(中央部分)。処理は左から右に進みその実行結果が計測された(右端)。)

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何を測定したのか
ベンチマークではゲートをランダムに組み合わせ、その結果を測定する方式が取られた。測定結果は0と1のランダムな並び(Bit Stream、例えば「0000101」)となる。しかし、Quantum Interference(量子の干渉)という物理特性から01の並びは完全にランダムではなく特定の並びに偏る。もっとも起こりやすい01の並びを見つけることがこのベンチマークのタスクとなる。
スパコン越えの根拠
ベンチマークでは、最初は12Qubitから53Qubitを使い、単純なゲート演算を実行した(下のグラフ左側)。この際、Gate Depth(演算繰り返し回数)は一定 (14サイクル)にして実行された。また、実行時間(Sampling)は常に200秒に固定された。この確認ができた後、今度は、複雑なゲート演算を53Qubit構成で実行した。その際に、Gate Depthを深くしながら実行し、スパコンが到達できない領域まで、その深度を増していった(下のグラフ右側)。そして53Qubit構成でGate Depthが20の地点でQuantum Supremacyに到達(下のグラフ右側、右端のポイント)。このポイントではこれをスパコンで実行しても1万年かかると算定した。

出典: Nature |
量子プロセッサの基本機能の検証
このグラフの縦軸はCross-Entropy Benchmarking Fidelity(ゲートが正常に稼働する指数)を表し、〇、X、+は異なる構成で実測した値で、実線は予想値を示す。Qubit数やGate Depthが増えると(ゲート規模が大きくなると)正常に動作する指数が下がる(エラーが増える)。しかし、実測値は予想したラインに乗り、急速に低下することはなかったことを示している。つまり、Sycamoreで想定外の物理現象はなく、量子プロセッサとして目途が付いたことを意味している。
プロセッサ構成
Sycamoreは54Qubit構成のプロセッサで、Qubitは平面に配置され、隣の4つのQubitと接続する。Qubitはこの結合を通してすべてのQubitと結び付くことができる。SycamoreでQuantum Supremacyに到達できた理由はQubitの信頼性が向上しエラー率の低いゲートを構成できたことにある。Sycamoreプロセッサは超電導回路で構成され、システム全体は円筒状の冷蔵装置(Cryostat)に格納され、絶対零度近辺まで冷却して運用される(下の写真)。

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次のステップはNISQでアプリ開発
Googleは量子コンピュータ開発のロードマップを明らかにした。その一つが、Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ)といわれるプロセッサでアプリ開発を進めること。NISQとはノイズが高い(エラー率が高い)、中規模構成(50から100Qubit構成)の量子コンピュータを指し、Sycamoreがこの範疇に入る。エラー率が高いので大規模なゲート演算はできないが、限られたサイズのタスクでアルゴリズム開発を進める。
最終ゴールは高信頼性量子コンピュータ
しかし、最終ゴールは「Fault-Tolerant Quantum Computer」の開発で、エラーに耐性のある大規模構成の量子コンピュータを開発する。エラー補正機構などを備えた信頼性の高い量子コンピュータで、大規模な量子アルゴリズムを実行することができる。この時点で社会に役立つアプリケーションの開発が可能となる。例えば、新素材開発に着目しており、軽量バッテリーや肥料を生成するための触媒などの開発が期待される。ただし、この量子コンピュータが登場するまでには歳月を要す。
IBMがGoogleに反論
IBMはGoogleが論文を公表した二日前に、それに反論する論文を掲載した。これは「Leveraging Secondary Storage to Simulate Deep 54-qubit Sycamore Circuits」という表題で、Googleが達成したというQuantum Supremacyに異議を差し挟んでいる。Quantum Supremacyの定義の一つは「スパコン越え」であるとし、世界最速のスパコン「Summit」を使うと、この処理を2.5時間で実行できるというもの。Googleは計測したQubitの状態をRAM(主記憶)に格納して処理することを前提に、処理時間を1万時間と算定した。しかし、IBMはRAMだけでなくディスクも使い、最適化手法を導入することで2.5時間で処理できると算定した。(下のグラフ:GoogleがSycamoreで実行したタスクをSummitで実行したときの処理時間予測。縦軸が実行時間(日)で横軸がCircuit Depth(処理の繰り返し回数)。53Qubit構成(青色のグラフ)で繰り返し回数が20のポイントをみると2.5日となる。仮にフル構成のSycamore(54Qubit)でも、Summitで実行すると6日で計算できる。)ちなみにSummitはIBMが開発したスパコンでIBMはSummitでのタスク最適化技術を誰より熟知している。

出典: IBM |
発表前に論文がリーク
IBMがGoogleの発表と同じタイミングで39ページに及ぶ詳細な論文を発表した背景には、Googleの論文が正式発表前にすでにウェブサイトに掲載されていたという背景がある。この論文は2019年8月に、NASA Ames Research Centerがウェブサイトに公開した。すぐにこの公開は停止されたが、この措置は手遅れで、読者がこの論文をRedditなどのサイトに掲載し、だれでも読める状態になっていた。このため、正式発表を待たず、市場ではGoogleのQuantum Supremacyについて評価が行われていた。
大きなマイルストーン
Googleの発表にIBMが水を差す形になり、市場はどう評価すべきか戸惑っている。これから両社の間で議論が深まり、また、これを契機に改めて開発競争が進むことも期待されている。Quantum Supremacyに達したかどうかは疑問が残るものの、Sycamoreが論理設計通りに稼働し、数多くのゲートを使って演算が実行できたことは大きなマイルストーンとなる。基本動作が確認でき、次は大規模な量子プロセッサが登場することが期待される。