GoogleのWillowチップ：真の量子超越性の物理学

それは人間の脳が理解できないほど大きな数字です：10セプティリオン年。

つまり $10^{25}$ 年です。ちなみに、宇宙の誕生はわずか約 138 億ドルです。ビッグバンの瞬間に世界で最も強力なスーパーコンピューター (現在はフロンティア エクサスケール システム) で計算を開始したとしても、今日ではまだ問題の 0.000000001% にも満たないことになります。

Google の新しい量子プロセッサ Willow は、その計算を 5 分以内に完了しました。

これは、従来のコンピューターでは事実上不可能なタスクを量子コンピューターが実行できるしきい値を表す用語である「量子超越性」に対する Google の最新の主張の見出しとなります。しかし、そのスピードは目を見張るものですが、実は発表の中で最も面白くない部分でもあります。人類のテクノロジーの軌道を変える本当の物語は、ノイズの中に隠されています。

Google は、プロセッサに量子ビットを追加すると、実際にエラー率が増加するのではなく、実際に「減少」する可能性があることを初めて実証しました。これは量子力学の「聖杯」であり、実験的な玩具から世界を変える機械への道を開く量子誤り訂正 (QEC) の画期的な進歩です。

フック: なぜこれが今重要なのか

何十年もの間、量子コンピューティングは「NISQ」時代、ノイズの多い中間スケール量子から抜け出せていません。

この時代、量子コンピューターを構築することは、風洞の中で砂上の楼閣を構築しようとするようなものでした。カード (量子ビット) を追加して構造を大きくすることもできますが、大きくなるほど不安定になります。 「風」（環境ノイズ、熱、放射線）は、有用な計算が完了する前に量子状態（デコヒーレンス）を必然的に崩壊させます。

多くの著名な物理学者を含む批評家は、これが基本的な自然法則である可能性があると主張した。彼らは、量子システムをスケールアップするとノイズが指数関数的に増大し、有用な計算が永久に妨げられるだろうと示唆しました。

ウィローはそれらが間違っていることを証明しました。

105 量子ビットを備えた Willow は、その前任者である Sycamore (53 量子ビット) よりも大きいだけではありません。飛躍的に静かになります。 Google は、複数の物理量子ビットからデータを収集して論理命令を形成することで、システムがスケールアップするにつれてエラー率を下げることができることを実証しました。

これが量子コンピューティングの「トランジスタモーメント」です。真空管が信頼性の高いトランジスタに取って代わられたのと同じように、業界は現在、ノイズが多く壊れやすい量子ビットから、エラー修正された安定した量子ビットに移行しつつあります。

技術的な詳細: Willow の物理学

Willow がエンジニアリングの傑作である理由を理解するには、Transmon Qubit の物理学を調べる必要があります。

1. アーキテクチャ

Willow は、特定のグリッドに配置された 105 個の超伝導量子ビットを使用します。シリコン上にエッチングされた微細なトランジスタであるラップトップのビットとは異なり、これらの量子ビットは、絶対零度近く (約 20 ミリケルビン) に冷却された超伝導金属 (通常はアルミニウムまたはニオブ) で作られた巨視的な回路です。

この温度では、金属はすべての電気抵抗を失います。電子は「クーパー対」を形成し、摩擦なしで流れます。これにより、回路が単一の人工原子のように動作できるようになります。この回路をマイクロ波パルスで操作することで、技術者はそれを強制的に重ね合わせ、つまり「0」と「1」の両方の状態にすることができます。

2. 騒音問題

問題は、これらの人工原子が非常に敏感であることです。漂遊光子、磁気変動、さらにはチップに当たる宇宙線によっても「デコヒーレンス」が発生し、重ね合わせが崩れて計算が台無しになる可能性があります。

以前のチップでは、量子ビットを追加すると、エラーが伝播する経路がさらに増えました。 50 量子ビット マシンのステップあたりの精度率が 99% だった場合、100 量子ビット マシンでは単に故障箇所が増えるため、精度が 50% 以下に低下する可能性があります。

3. 「Zeno」効果とエラー修正

Willow は、リアルタイムエラー修正のための新しいスキームを導入します。物理量子ビットを効果的にグループ化し、正しい状態を投票します。

このブレークスルーは 量子ゼノ効果 に似た概念に基づいており、システムを頻繁に観察することでその進化を「凍結」することができ、この場合はエラーが広がる前にエラーを捕捉することができます。 Willow は、量子ビット自体を実際に測定する (データを破壊することになる) ことなく、隣接する量子ビットの「パリティ」を測定し、それらが同じか異なるかをチェックします。

システムがエラー (ビット反転など) を検出した場合、リアルタイムで修正を適用できます。データは、Google がコード距離 (論理量子ビットを裏付ける物理量子ビットの数) をスケールするにつれて、エラー率が指数関数的に低下したことを示しています。

これにより、量子エラー訂正が機能することが確認されます。論理量子ビットは、それを構成する物理量子ビットよりも長持ちするようになりました。これは工学的な課題であり、物理的に不可能ではありません。

ベンチマーク: ランダム回路サンプリング

Willow が実行したタスクは ランダム回路サンプリング (RCS) と呼ばれます。

RCS は本質的にはストレス テストです。コンピューターには、量子ビットに適用する量子ゲート (操作) のランダムなシーケンスが与えられ、そのランダム回路の統計的分布に一致する一連のビット文字列を出力する必要があります。

これは無駄な計算であり、何もシミュレートせず、研究者に宇宙について何も伝えません。これは、古典的なコンピュータにとっては非常に難しいという理由で特別に選択されました。

• 古典的な難易度: $N$ 量子ビットの量子システムをシミュレートするには、古典的なコンピューターは $2^N$ バイトのメモリを必要とします。 53 量子ビット (シカモア) の場合、これはペタバイトに相当します。 105 量子ビット (Willow) の場合、メモリ要件は目に見える宇宙の原子の数を超えます。
• Willow のパフォーマンス: Willow はシミュレートされているシステムであるため、これらの回路をネイティブに実行できます。

Google が「10 セプティリオン年」と言っているのは、現在知られている最もスマートな古典的アルゴリズムを最大のスーパーコンピューターで使用して Willow の複雑な回路の出力を統計的に検証するには、長い時間がかかることを意味します。

ただし、ここでのライバル関係に注目する価値があります。 IBM は、RCS は「パーティのトリック」であり、これらの理論上の時間制限は、賢い古典的な近似によって短縮できるとよく主張します。しかし、効率的な古典的アルゴリズムが使用する最も寛大な「テンソル ネットワーク」手法を使用しても、Willow は実質的に手の届かないところにあります。

文脈の歴史: シカモアからの道

ウィローへの旅は過酷なものでした。

• 2019 (シカモア): Google は 53 量子ビットで量子超越性を主張します。計算には 200 秒かかりましたが、スーパーコンピューターでは 10,000 年かかると推定されています。 IBMはすぐに反論し、自社のSummitスーパーコンピュータでハードドライブストレージを使用すれば2.5日でそれを実行できると主張した。この主張は物議を醸した。
• 2021-2023 (IBM Eagle & Osprey): IBM は純粋な量子ビット数を増やし、127 量子ビット、次に 433 量子ビットのチップをリリースしました。しかし、Google は、「品質」のない「量」には意味がないと主張しました。エラー率が高い 433 量子ビットのチップは、単なる乱数生成器にすぎません。
• 2024 (柳): Google の反撃。彼らは1,000量子ビットを目指していませんでした。彼らは 105 個の より良い 量子ビットを目指しました。

これは哲学の相違を示しています。 IBMは「ユーティリティ・スケール」（エラー軽減により小規模で有用な問題を解決する）を推しているのに対し、Googleは「フォールト・トレランス」（まずエラー訂正の物理を証明する）を推している。ウィロー氏は、Google の物理学への賭けが功を奏していると示唆しています。

将来を見据えた分析: 暗号化の「コードレッド」?

量子のブレークスルーが起こるたびに、最初の質問は次のとおりです: 「ビットコインは安全ですか?」

この恐怖は、古典的なコンピューターよりも指数関数的に速く大きな素数を因数分解できる量子手法である ショールのアルゴリズム に由来しています。 RSA 暗号化 (銀行口座と Web トラフィックを保護する) は素因数分解の難易度に依存しているため、強力な量子コンピューターは理論的にはインターネットをクラッキングできる可能性があります。

答え: あなたは安全です…今のところ。

2048 ビット RSA キーでショールのアルゴリズムを実行するには、2048 量子ビットだけが必要というわけではありません。 2048 個の 完璧な論理的 量子ビットが必要です。エラー訂正が必要なため、各論理量子ビットには 1,000 個の物理量子ビットが必要になる場合があります。

それには、約 2,000 万物理量子ビットを備えたマシンが必要です。 Googleには105があります。

業界は「Q-Day」（量子コンピューターが暗号化を破る日）までにはまだ桁違いだ。ただし、Willow はタイムラインを強制的に更新します。

• Willow 以前: 物理学者は、誤り率が飽和し、人類が 2,000 万コヒーレント量子ビットに到達することは「決して」ないかもしれないと懸念していました。
• Willow 以降: エラー修正が機能することが証明されています。それはもはや物理的な問題ではありません。それは工学的な問題です。

実際の即時的な影響: シミュレーション

コードを解読するずっと前に、Willow (およびその後継) のようなチップは シミュレーション に革命を起こすでしょう。

• P 型窒素固定: 肥料用のアンモニアの生産は、世界のエネルギーの 2% を消費します。高温と高圧が必要です (ハーバー・ボッシュ法)。細菌はニトロゲナーゼを使用して室温でそれを行います。電子相互作用が複雑すぎるため、現在の古典的なコンピューターはニトロゲナーゼをシミュレートできません。量子コンピューターはそれを簡単にモデル化し、局所的な環境に優しい肥料の生産につながる可能性があります。
• 電池の化学: リチウム金属電池用の新しい電解質の設計には、複雑な分子結合のシミュレーションが含まれます。 WillowクラスのチップはEV航続距離を2倍にする材料を見つける可能性がある。

結論

Google の Willow チップは、明日すべてのビットコインをマイニングしたり、暗号化されたメールを読んだりすることはできません。 Excel や Doom を実行できるかどうかで判断すると、役に立ちません。

しかし、テクノロジーがプロトタイプの機能によって判断されることはほとんどありません。それはそれが開く道によって判断されます。

40 年間、量子コンピューティングは理論分野でした。それは、研究者が原子スケールで自然を制御できたら何が起こるかについて議論する黒板上の数学でした。柳は黒板が正しかった証拠です。量子領域への扉は、もはや単にロックが解除されるだけではありません。蹴り開けられてしまった。唯一の問題は、業界がどれだけ早くこの状況を乗り越えられるかということだ。

出典 (2)

• blog.google Google Quantum AI Blog
• nature.com Quantum Error Correction