量子コンピュータの国際会議「Q2B」(#Q2B20)が今年はオンラインで開催された。IBMやGoogleが先行する中、スタートアップIonQが新技術で大手企業に挑んでいる。IonQはイオンで高信頼性Qubitを生成する手法を取り、世界最大規模の量子コンピュータを開発していることを明らかにした。

出典: IonQ

IonQとは

IonQはメリーランド州カレッジパークに拠点を置く新興企業で、「Trapped Ions」という手法で量子コンピュータを開発している。2015年にメリーランド大学(University of Maryland)名誉教授Chris Monroeらにより設立された。今年6月には、量子技術でノーベル物理学賞を受賞したDavid WinelandがIonQのアドバイザーとして就任した。

Trapped Ionsとは

Q2BでChris MonroeはTrapped Ionsについて解説した(最後の写真、中央の人物)。Trapped Ionsとは電荷を帯びた原子(イオン)をQubitとする方式で、電子のエネルギー状態(エネルギーの高低)でQubitを作る。イオンは特殊なチップ「Ion Trap Chip」の中に格納され、周囲に電磁場をかけて３D空間に精密に配置される。(上の写真、チップの外観と閉じ込められたイオンのイメージ。イオンは青色の球体で示され、これらがチップの中に格納されている。)

イオンの操作方法

チップ内の空間に配置されているイオンに特定波長のレーザー光線を照射してこれらを操作する。「Write」操作では、イオンに情報を書き込み、量子ゲートを生成し、アルゴリズムを実行する。また、イオンを操作してSuperpositionやEntanglementの状態を生成する。更に、「Read」操作では、イオンにレーザー光線を照射してその状態を読み出す。

出典: IonQ

上のグラフィックスは量子ゲート操作を模式的に示している。オレンジ色の円がイオンでQubitを構成する。ここにレーザー光線(縦方向のオレンジ色の線)を照射してイオンを操作する。右上が量子ゲートを示しており、ここでは最後のゲート(右端の四角)を操作している。イオンを操作して、左から右方向に量子ゲートを生成し、アルゴリズムを実行する。

ロードマップ

IonQは量子コンピュータの開発計画を説明した(下の写真)。2016年に、実験機が研究所の中で稼働し、小型化を進め、今年はTabletop形状のシステムを発表した。更に、小型化を進め、2021年にはBenchtop形状のシステムとなり、スパコンを凌駕する「Quantum Advantage」を達成する。2023年にはRackmount形状のシステムとなり、2024年にはこれをネットワークで接続することで大規模構成の量子コンピュータを形成する。これにより、真の量子コンピュータ「Full-Scale Fault Tolerance」に到達する計画である。

出典: IonQ

量子コンピュータの性能

ロードマップに従い、IonQはシステムの性能を独自の指標で示した(下のグラフ)。量子コンピュータの性能を定義するのは難しく、しばしばQubitの数で比較されるが、IonQは「Algorithmic Qubit」という独自の指標(グラフ縦軸)を導入した。これは量子アルゴリズムの実行で使うことができるQubitの数を示したもので、Qubitの数が「最大性能」であるのに対し、Algorithmic Qubitの数は「実効性能」を示したものとなる。2028年にはエラー補正機構を備えたQubitで1024AQを達成し、大規模量子コンピュータを構成する。

出典: IonQ

IonQの特徴

IonQの特徴はQubitのエラー発生率が他のアーキテクチャに比べ極めて低いことだ。このため、エラー補正に必要なQubitの数が少なくて済み、実質的に、アルゴリズムの実行で使えるQubitの数が増える。具体的には、IonQは13個のQubitを1個のQubitでエラー補正できることを実証した。これに比べ、IBMなどが採用している超電導ループ型Qubitはエラー発生率が高く、エラー補正機構に1,000個から10,000個のQubitが必要となるとされる。

IonQのチャレンジ

一方、IonQのアーキテクチャは拡張性に欠けると指摘される。Qubitを安定して生成できるが、そのための機器のサイズが大きく、これらを高密度に実装するのが難しい。この問題に関し、IonQ共同創設者のJungsang Kim(下の写真、左端)は装置設計の観点から開発計画を明らかにした。2023年には、レーザー発光素子をチップの中に搭載し、ワンチップに32個のQubitを搭載する。これをラックに搭載し、独立の量子コンピュータを形成し、その後、これらを光ファイバーで接続して大規模なシステムを形成する。

出典: IonQ

どのアーキテクチャが主流になるか

現在、IBMやGoogleが開発している超電導ループ型の量子コンピュータが主流になると見られているが、安定したQubitを生成することが課題となっている。一方、IonQは高密度実装が難しく、大型量子コンピュータを構成できないと見られてきた。しかし、大手企業の開発が手間取る中、IonQが急速に技術を伸ばし実用化に大きく前進した。新興企業がIBMやGoogleを逆転するのか、量子コンピュータ開発レースが白熱してきた。