量子競争、IBM100万量子ビットへ

John Russell

IBMは、仮想のQuantum Summitで野心的な量子コンピューティング技術のロードマップを発表した。目を見張るような100万量子ビットという数字はまだ先の話だとIBMは同意しているが、それほど先の話ではないかもしれない。それと同じくらい目を見張るのが、Condorと名付けられた1,000ビット以上の量子ビットシステムを2023年末頃に予定しているIBMの近未来的な計画だ。

IBMは、おそらく量子コンピューティングを追求する有力な商業プレーヤーであり、超伝導半導体ベースの量子ビット技術(transmons)に大きく賭けている。大きな課題の1つは、量子状態の脆弱性である。IBMや他のほとんどの企業は、量子回路を混乱させる破壊的な「ノイズ」を回避するために、希釈冷蔵庫を使用して量子プロセッサをほんの数ケルビンの氷のように冷たく保つように強いられている。これが、量子ビット数を低く抑えてきた問題の1つである。

IBM の量子技術計画を発表するにあたり、IBM フェローで IBM 量子担当副社長のJay Gambettaは、自身のブログで次のように述べた。「我々が1000量子ビットを超える領域を探索するにあたり、現在の商業用希釈冷蔵庫では、このような大型で複雑な装置を効果的に冷却し、隔離することはできなくなります。我々はまた、高さ10フィート、幅6フィートの「巨大冷蔵庫」、内部的には「Goldeneye」と名付けられた、現在市販されているどんなものよりも大きい希釈冷蔵庫を導入しています。当社のチームは、100万量子ビットシステムを念頭に置いてこの巨大な冷蔵庫を設計しており、すでに基本的な実現可能性テストを開始しています。」

「最終的には、イントラネットがスーパーコンピューティングプロセッサをリンクするように、量子相互接続が希釈冷蔵庫をリンクし、それぞれが100万量子ビットを保持し、世界を変えることができる超並列量子コンピュータを作成する未来を想定しています。」

これはかなりのビジョンであり、今日の詳細な計画は、IBMがそれを実現することができれば、量子コンピューティングにおける重要な瞬間となるだろう。まだ、スケーラビリティ、エラー訂正/緩和、ライバルの量子ビット技術など、多くの問題が残っている。実際、量子コンピューティング技術は、進歩を予測することが悪魔のように難しいことが証明されている分野である。しかしIBMの説明は、以下の箇条書きのタイムラインが示すとおり、驚くほど具体的である。

	IBM Hummingbird量子プロセッサ

・2020 –Hummingbird（65量子ビット）　今月初めにIBM Q Networkのメンバーに向けて発表されたHummingbirdは、「8:1リードアウト・マルチプレクシングを特徴としています。これは、8量子ビットからの読み出し信号を1つにまとめることを意味し、読み出しに必要な配線やコンポーネントの総量を削減し、Falcon世代のプロセッサの高性能な機能をすべて維持しながら、拡張性を向上させています」とGambettaは述べている。

・2021 –Eagle（127量子ビット） Eagleは、100量子ビットのマイルストーンを超えるために、いくつかのアップグレードを特徴としている。重要なのは、シリコン貫通ビア（TSV）とマルチレベル配線が、高いコヒーレンス時間を維持するために分離された層でクビットを保護しながら、高密度の古典的な制御信号を効果的にファンアウトする能力を提供していることである。

・2022 – Osprey（433量子ビット）　IBMのものより小さなセットプロセッサ用に確立された設計原則は、「2022年に433量子ビットのIBM Quantum Ospreyシステムをリリースするためのコースを設定しました。より効率的で緻密な制御と極低温インフラストラクチャにより、プロセッサをスケールアップしても、個々のクビットの性能を犠牲にしたり、さらなるノイズ源を導入したり、大きすぎるフットプリントを取ることはありません」とGambettaは述べた。

・2023 –Condor（1,000以上）　「私たちはコンドルを変曲点と考えています。これは、エラー修正を実装してデバイスをスケールアップする能力を示すマイルストーンであると同時に、潜在的な量子アドバンテージを探求するのに十分なほど複雑であり、量子コンピュータでより効率的に解決できる問題です」とGambettaは語った。

もちろん、これらの技術を有効に利用することが目標だ。量子コミュニティは、量子の利点を追求してきた。これは、アプリケーションによって、量子コンピュータが従来のコンピュータよりも十分に優れた性能を発揮し、スイッチングを正当化することを意味している。その点はまだ遠いが、進歩は実証されている。その一例は、IBMのライバルであるGoogleによる量子化学に関する最近の研究である（HPCwire 記事、「Google’s Quantum Chemistry Simulation Suggests Promising Path Forward」を参照）。

量子コンピュータの性能の質を測定して進歩を評価し、さまざまな量子コンピュータ間で比較することは、もう一つの課題だ。IBMはQV – Quantum Volume – ベンチマークを提案しており、これにはいくつかの属性（ゲートエラーレート、デコヒーレンス時間、量子ビット接続性、操作ソフトウェア効率など）が組み込まれている。これまでのところ、いくつかの他の量子システムメーカーもQVを使用している。しかし、システムのパフォーマンスの質が悪い場合、多くの量子ビットは役に立たない。

IBMは今夏初めに64のQVを達成し、システムのQVを年間で2倍にすることができると述べている。

Gambettaは、「我々のチームが今日直面している最大の課題は、将来の量子アプリケーションで必要とされる複雑な量子回路を実行するために、これらの量子ビットの大規模なシステムを十分な時間、十分な誤差で制御する方法を考え出すことです」と述べている。

	IBMの27ビットFalcon量子プロセッサ

「私たちは、お客様や一般の方が実験を行うために、IBMクラウド上に24を超える安定したシステムを維持しています。これには、5-qubit IBM Quantum Canaryプロセッサと27-qubit IBM Quantum Falconプロセッサを含み、そのうちの1つに、私たちは最近、64の量子ボリュームを宣言するのに十分な長さの量子回路を実行しました。この成果は、量子ビットを増やせばいいというものではなく、私たちは、コンパイラの改良、2量子ビットゲートのキャリブレーションの改良、マイクロ波パルスの微調整に基づいたノイズ処理と読み出しのアップグレードを行いました。これらすべての基盤となっているのは、信頼性の高い歩留まりを可能にする独自のプロセスで製造された、世界をリードするデバイスメトリックを備えたハードウェアです。」

量子コンピューティングに対する政府の注目度（支出等）が高まっていることや、より大きな量子コンピューティングのエコシステム（ソフトウェアツール、コンサルタント、DOEのテストベッドなど）が急速に発展していることを考えると、IBMが自社の目標に対してどのようにパフォーマンスを発揮しているのかを追跡するのは興味深いだろう。

特集写真：IBM Falconプロセッサ

IBMブログへのリンク：https : //www.ibm.com/blogs/research/2020/09/ibm-quantum-roadmap/