Googleの量子コンピュータ「Sycamore」初公開

カリフォルニア州ゴリータの山々と海岸線の景色に囲まれた、高速道路沿いの建物の脇に、控えめなオフィスが佇んでいる。南カリフォルニアのどこの企業でもありそうなオフィスだ。従業員たちは蛍光灯の下、灰色のキュービクルに座り、自転車やサーフボードを置くラックもある。しかし、そのデスクで働いているのは物理学者とコンピューター科学者たちで、彼らはかつて見たこともないようなコンピューターを開発している。二重扉の向こうには、宇宙の真空よりも低い温度でコンピューターチップを収めた円筒形の機械が並んでいる。

Googleの科学者たちは、世界最高峰のスーパーコンピュータでも難解な問題を解けるコンピュータプロセッサの開発に取り組んできました。そして本日、その成果を発表しました。Sycamore量子コンピュータは、スーパーコンピュータが解くのに1万年かかると推定される問題を、わずか200秒で解くことに成功したのです。これは単一の、人為的な問題であり、このチップはスーパーコンピュータと2と2を足し合わせるという競争には勝てないでしょう。しかし、Googleの科学者たちは、コンピューティングにおける歴史的なマイルストーンを達成したと考えています。

写真: ライアン・F・マンデルバウム — Googleの量子オフィスと量子ロゴ。一見すると、どこにでもある退屈なオフィスのように見える。写真：ライアン・F・マンデルバウム

「よく耳にする批判の一つは、この不自然なベンチマーク問題をでっち上げたというものです。[Sycamore]はまだ何も役に立つことをしていないのです」と、宇宙服を思わせるふわふわのシルバーのコートをまとったGoogleのエンジニアリングディレクター、ハルトムート・ネヴェンは本日の記者会見で記者団に語った。「だからこそ、私たちはこれをスプートニクの瞬間に例えるのです。スプートニクも大した成果を上げませんでした。地球を一周しただけでした。それでも、あれは宇宙時代の幕開けだったのですから」

Googleは本日、このデバイスとそれがどのようにして実験を完了できたかをジャーナリストに初めて公開した。

古典コンピュータはトランジスタを用いてデータを0と1で表現しますが、量子コンピュータは量子ビットと呼ばれる人工原子を用いてデータを表します。これらの量子ビットは、単に論理のルールを用いるのではなく、量子力学の奇妙な数学を介して相互作用します。古典コンピュータと同様に、量子ビットは0または1を取り、長いバイナリコード列を生成しますが、計算中に0と1の間の状態をとることができ、最終的な測定で0または1が得られる確率を決定します。

各量子ビットは、超伝導線材の小さなプラス記号型のループでできています。これらのシステムでは電流が抵抗なく流れるだけでなく、ユニット全体がまるで一つの電子のように振る舞います。それぞれのプラス記号は、他の4つのプラス記号と格子状に接しています。

このチップ（訓練を受けていない観察者には、ごく普通のプロセッサチップとほとんど変わらないように見える）は、逆さまのウェディングケーキのような構造の底部にあるケースに収められ、真空チャンバー内に設置されている。この環境は、層を増すごとに徐々に冷え、最終的に15ミリケルビンの動作温度に達する。配線が微小なマイクロ波パルスを量子ビットに送り、励起状態をとらせる。この励起状態は、プラス記号に接続された別の微小な部品によって測定される。

Google の科学者たちが量子超越性実験を初めて設計したのは 2016 年のことでした。その前提は、これらの量子ゲートを使ってランダムな回路を構成することです。同じ回路を数千から数百万回再測定すると、量子干渉と呼ばれる効果により、特定の 0 と 1 の文字列が他の文字列よりも出現しやすくなります。スーパーコンピューターで量子コンピューターをシミュレートし、これらの文字列の同様の確率分布を作成するように指示します。量子ビットが追加されるたびに (および演算が追加されるたびに)、スーパーコンピューターが追いつくのがはるかに難しくなります。Google の科学者たちは、Sycamore の 54 量子ビットのうち 53 量子ビット (1 つは動作していませんでした) を動作させれば、スーパーコンピューターに完全に勝てると確信していました。答えが正しいことを確認するには、回路の複雑さをわずかに減らし、スーパーコンピューターが確認できる方法で実行し、外挿する必要があります。

テキサス大学の物理学者スコット・アーロンソン氏の協力を得て、彼らはこの量子超越性実験の用途を考案しました。この実験はランダムなビットを出力しますが、ランダム性は暗号や宝くじなどの分野で重要です。しかし、もしこれが本当にランダムでなかったらどうなるでしょうか？誰かが密かにランダムとされる数字を推測できたとしたらどうでしょうか？この実験により、Googleは、通常のコンピューターではこれらのランダムな数字を生成できなかったことを証明できます。

技術的成果にもかかわらず、コンピューターはエラーを起こしやすい。外界との何らかの相互作用によって、量子ビットが誤った値を吐き出す可能性がある。しかし、実験では、量子ビットの数を増やすにつれて、エラーの数が予測可能な形で増加することが示された。このレイアウト、特にプラス記号の格子は、これらの問題を予測し、回避できる未来にも対応できるように設計されている。

「私たちはこれらのエラーを理解していることを示しました」と、Googleの科学者マリッサ・ジュスティーナ氏は述べた。「これが今回のブレークスルーにおける工学と物理学の重要な部分です」（ちなみに、ジュスティーナ氏はその場で唯一の女性科学者だった）。

私もコンピューターをプログラミングすることができました。IBMのQ体験と同様に、通常のコンピューターインターフェースを使って、パルスを生成し、量子ビットの値を変える操作を、五線譜の音符のように各量子ビットにドラッグ＆ドロップします。オシロスコープには、量子ビットに送ったパルスの形状が表示されていました。操作を追加するたびに、最終的な量子ビットが0または1を出力する確率が変化する様子を観察しました。

多くの科学者が、古典的コンピュータは実際にはより短い時間で超越性実験を実行できる、あるいは適切な古典的アルゴリズムがまだ見つかっていないだけだ、という批判を既に展開している。ネヴン氏は、古典的スーパーコンピュータでは超越性実験の実行に1万年ではなく2.5日しかかからないというIBMの主張に対し、次のように反論した。

「量子超越性の示唆を発表して以来、古典的計算アルゴリズムの改良が着実に進み、それが古典的スーパーコンピュータのベンチマークとなりました」と彼は述べた。NASA、オークリッジ国立研究所、その他の研究者が古典的計算アルゴリズムの改良に取り組んでおり、Googleデバイスが最先端のスーパーコンピュータと競合できるようになると説明した。