世界のスーパーコンピュータとそれを動かす人々


12月 31, 2018

ロバストな量子コンピュータ、まだまだ10年以上先と米国科学アカデミー報告書

HPCwire Japan

John Russell

科学、工学、医学の米国科学アカデミーは先日、量子コンピューティングの可能性についての楽観論がQCの近い将来の見通しにおける警告的なトーンと一致するという報告書 – 量子コンピューティング:進歩と展望 – を発表した。報告書を紹介するためのウェビナーの後に、ある質問者は、実用的で誤り訂正型の量子コンピュータが10年以上出来ないというレポートの結論はあまりにも残念ではないのかと尋ねた。

「私たちは、報告書が議論している量子コンピュータは幅広いことを覚えておく必要があります。現代の暗号を解読することができる完全な誤り訂正型の量子コンピュータが、10年以上かけ離れていると言っているのです。」と、この報告書を作成したNASEM委員会の委員長でありスタンフォード大学の教授であるMark Horowitzは答えている。
「しかし、これらのノイズあり中間スケール量子コンピュータ(NISQ)を構築するために動いている多くのグループがあります。委員会では、それらは2020年代初頭に比較的早く展開される可能性が高いと考えており、それらの機械の能力はまだ少し不確実であり、まさに究極の量子コンピュータを構築するには多くの課題があるのです。ですが、それらの大規模なマシンが作られた際には、もっと早く量子コンピュータを作るチャンスがあると思っています。」

 
   

多くの点でこの最新の報告書は、現在の過換気である量子コンピューティング環境で必要とされる多くの現実であると言える。間違いなく報告書では、量子コンピューティングには大きな可能性があり、QCへの膨大な投資とその急増している研究活動は十分に正当化されると主張している。より確かに、既知の事実は、起ころうとしている世界的な競争であると、報告書は主張している。それにもかかわらず、次の警告は重要なものだ:多くの問題が解決されていない可能性があり、おそらくそれらの中で抜きん出ているのは誤り訂正である。

量子計算が現在の暗号化アルゴリズムを解読する可能性についての懸念(報告書が米国国家情報長官によって指示された理由の一部)でさえ、この報告書は早すぎると述べている。

抜粋:「委員会(量子コンピューティングの実現可能性とその影響の技術的評価委員会)は、量子コンピューティングのハードウェア、ソフトウェア、およびアルゴリズムの現状と、Shorのアルゴリズムを展開できるスケーラブルでゲートベースの量子コンピュータを作るのに必要な進歩について理解することに焦点を当てました。このプロセスの早い段階で、現在のエンジニアリング手法では、このスケーラブルで完全に誤り訂正された量子コンピュータを作成するのに必要なサイズに直接拡張できないことが明らかになったのです。」

Googleの委員会のメンバーで著名な量子コンピューティング研究者であるJohn Martinisは、ウェビナーのQ&Aで次のように述べている。「この分野での進歩はここ数年で非常に素晴らしく、人々は基本的な物理実験を行うことができるだけでなく、量子コンピューティングシステムの構築を始めることもできました。人々が物を作り、それを正しく機能させることができるというのは、もっと楽観的な見方があると思います。もちろん、うまく機能させて問題に対応させるには、やるべきことがたくさんありますが、(進歩の)ペースが上がってきて面白いことが出てきました。来年か二年後には、まだ実際の問題を解決することはできないでしょうが、もっと良いマシンが出てくるでしょう。」

分かってきただろう。量子コンピューティングは、セキュリティを含むいくつかのクラスの問題にとっておそらく非常に重要であるが、それはまだここにはなく、この調査によると継続的な投資と忍耐をもってのみ到達すだろう。この調査は、長期的な取り組みのために関係者を強化しながら、短期的な期待を和らげるように設計されているようだ。

 

この報告書は、今日存在する量子コンピューティング技術の重要な側面を幅広くアクセスしやすい形でまとめたものだ。 QCに慣れていない人のために、この要約セクションは外観を与えてくれる。長年の量子ウォッチャーにとって、ほとんどの資料は新しいものではないが、このチュートリアルの中核はチュートリアルではないにしても実質的なものだ。それは7つの章に分かれている:

  • コンピューティングの進歩(第1章)では、コンピューティングの分野に関する背景と状況を説明し、量子コンピュータの計算上の利点を紹介している。それは何故そしてどのように古典的な計算技術が半世紀以上にわたり性能を拡大したかについて慎重に見ている。
  • 量子コンピューティング:新しいパラダイム(第2章)では、量子コンピューティングを異なる、わくわくさせる、そして実装するのが難しい量子力学の原理を紹介し、それらを現代のコンピュータの操作と比較している。ここでは、この報告書で調査されている3種類の量子コンピューティングを紹介している。アナログ量子、デジタル・ノイズあり中間スケール量子(デジタルNISQ)、および完全誤り訂正型量子コンピュータである。
  • 量子アルゴリズムとその応用(第3章)では、量子アルゴリズムについてより深く考察している。この章では、完全誤り訂正型マシン用の既知の基本的なアルゴリズムから始めているが、誤り訂正のオーバーヘッドは非常に大きいことを示している。つまり、誤りのない、いわゆる論理キュービットをエミュレートするには多くの物理キュービットと物理ゲート操作が必要であり、複雑なアルゴリズムで使用することができるのだ。 「したがって、そのようなマシンは何年もの間存在する可能性は低いのです。」
  • 量子計算の暗号化への影響(4章)では、電子データと通信を保護するために現在使用されている古典的なcryptographic cipher、大規模量子コンピュータがこれらのシステムを打ち負かす方法、そして暗号コミュニティが取り組むべきことこれらの脆弱性について記述されている。
  • 第5章(ハードウェア)と第6章(ソフトウェア)では、それぞれ一般的なアーキテクチャと、量子コンピューティングに必要なハードウェアおよびソフトウェアコンポーネントの構築における現在までの進捗について説明している。
  • 量子計算の実現可能性と時間枠(第7章)では、量子計算を大幅に進歩させるために必要な技術的進歩とその他の要因についての委員会の評価、可能性のある時間枠とその発展の意味を評価し再評価するためのツール、分野の展望を掲載している。

報告書は概要の形式ですべてのトピックにあてはまっている。量子サブシステム(これはかなり挑戦的)、ソフトウェア、量子センシングおよび計測学、機能的な量子コンピュータを構築するために古典的な計算を量子プロセッサと混合する必要性など。例として、量子ストレージは扱いにくいことがわかっている。

「量子システムの基本的な特性のため、量子ストレージは挑戦的です。これはノークローニング理論です。つまり、量子情報を入手してからそれをどこかにコピーして元のバージョンをそのままにすることはできません。その結果、もしあなたが量子記憶について話しているなら、あなたは典型的にはQRAMと呼ばれるものを話しています。私たちは報告書でそれについて少し話しています。」と、委員会のメンバーでCitigroupの情報セキュリティイノベーションのグローバルヘッドを務めるBob Blakleyは述べている。

Martinisはまた次のように述べている。「量子コンピュータをさまざまなサブシステムに分割するという考えは、もちろん重要であり、それについて考えたいのです。しかし、これは複製もコピーもなし[規則]ではないため、古典的なコンピュータの場合のように情報を1箱にまとめて送信できないため、すべての異なるコンポーネント間のインターフェースが根本的に異なります。つまり、複雑な量子コンピュータシステムを構築するには、はるかに高度なシステム統合が必要です。これのすべてを行うことは可能です。単により困難にしているのです。」

 

この問題に取り組むために、この報告書は量子コンピュータを3つの一般的なカテゴリに大まかに分類している。「(1)アナログ量子コンピュータ」は、これらの動作を原始的なゲート演算に分割することなくキュービット間の相互作用を直接操作する。アナログ機器の例には、量子アニーラー、断熱量子コンピュータ、および直接量子シミュレータが含まれる。 (2)デジタルNISQコンピュータは、物理キュビットに対するプリミティブゲート操作を使用して目的のアルゴリズムを実行することによって動作する。ノイズはこれらのタイプのマシンの両方に存在する。つまり、品質(誤り率とキュービットコヒーレンス時間で測定)がこれらのマシンが解決できる問題の複雑さを制限することになる。(3)完全誤り訂正型量子コンピュータ」は量子誤り訂正(QEC)を採用することでより堅牢になったゲートベースのQCのバージョンであり、ノイズの多い物理キュービットが安定した論理キュービットをエミュレートできるため、コンピュータはあらゆる計算に対して確実に動作する。

議論の大部分は、現在最先端のキュービット技術であると思われる超伝導キュービットまたは捕捉イオンから構築されたシステムに関するものだ。誤り訂正は、当然のことながら、かなりの量の議論があった。 「QECは、「論理キュービット」と呼ばれる、より堅牢で安定したキュービットをエミュレートするために必要な物理キュービットの数と、この論理キュービット上で量子演算をエミュレートするために物理キュービットに対して実行する必要のあるプリミティブ・キュービットの数の両方に関して大きなオーバーヘッドを招く。」と報告書は記している。 (下表参照)

 

量子超越性と量子優位性の概念も取り上げられている。「量子超越性の実証 – つまり、古典的なコンピュータでは実行不可能なタスクを完成させることは、そのタスクが実用的な有用性を持っているかどうか」 – である。いくつかのチームがこの目標に焦点を当てている、まだ実証されていない(2018年半ば現在)。もう1つの重要なマイルストーンは、商業的に有用な量子コンピュータを作成することだ。これには、従来のどのコンピュータよりも効率的に少なくとも1つの実用的なタスクを実行するQCが必要である。このマイルストーンは理論的には量子超越性を達成することよりも困難であるが – 問題のアプリケーションは利用可能な古典的アプローチよりも優れていて有用でなければならないので – 量子超越性を証明することは、特にアナログQCにとって難しいかもしれなし。このように、量子超越性が実証される前に有用なアプリケーションが生じる可能性がある。

新しい報告書は、量子コンピュータは特別な目的のデバイスになるという考えを反映している。

「量子コンピューティングは、古典的なコンピューティングに取って代わる可能性は低いです。」と、Q&Aの間にHorowitzは述べた。 「ある種の計算を支援するために、従来のコンピューティングに付随するアクセラレータとして使用される可能性がかなり高いです。多くの種類の計算において、量子コンピュータは実際には古典的なコンピュータより優れているわけではありません。古典的なコンピュータはより良くそして確かに安くなるでしょう。」

Martinisは、インターネットまたはクラウドベースのアクセスモデルがアクセスを獲得するという点で出現する可能性があり、実際、IBM、Rigetti Computing、およびD-Waveがすべて量子クラウドを提供していることを説明している。

量子ラップトップコンピュータがあるかもしれないかと尋ねられた、と彼は言った、「私は伝統的に非常に大きい機械であるスーパーコンピュータのような量子コンピュータを想像したいと思います、そしてそれは人々が今造っているものです。さまざまな実装は、すべてのハードウェアを見て3m x 3m x 3mの種類のマシンです。そしてもちろん、はじめのうちはおそらく少し大きくなるでしょう。それを強引に強制していて、すべての技術を実行するために縮小する必要はないからです。しかし、あなたがキュビットの数を拡大したいのであれば、おそらくそれは大きくなるでしょう。」

「だから、今後数年間は大型で特殊用途のマシンになるだろうし、将来起こることを誰が知っていると思いますか。私が起こった興味深いことの1つは、これらのマシンがクラウドアクセスで利用できるようになったことだと思うので、リモートでそれにアクセスしているのです。それで、あなた自身の研究室や宇宙に量子コンピュータを持っていることを考えるのは素晴らしいですが、それは量子コンピュータがどこか遠隔にあってそれにアクセスするためにインターネットとクラウドコンピューティングを使うことで、ちょうどうまく働きます。今あなたの携帯電話について考えるならば、それは基本的にあなたがしていることなのです。あなたの携帯電話はインターフェースデバイスであり、すべての大規模コンピューティングはデータセンターで行われています。将来的には、これがおそらく正しいモデルだと思います。」

報告書は直接読むのが一番で、無料のPDFとして入手できる。この報告書がマークにどれだけ近いか見逃しているかをウォッチすることは興味深いでしょう。

この報告書を作成した。量子計算の実現可能性とその意味の技術的評価に関するアカデミーの委員会のメンバーは次のとおり。
Mark A. Horowitz、NAE スタンフォード大学の議長。AlánAspuru-Guzik トロント大学、David D. Awschalom NAS / NAE、シカゴ大学、Bob Blakley Citigroup、Dan Boneh NAE、スタンフォード大学、Susan N. Coppersmith NAS、ウィスコンシン大学、マディソン、Jungsang Kim デューク大学、John M. Martinis、Google、Margaret Martonosi プリンストン大学、Michele Mosca ワーテルロー大学、William D. Oliver マサチューセッツ工科大学、Krysta Svore マイクロソフトリサーチ、Umesh V. Vazirani NAS、カリフォルニア大学バークレー校

画像/図出典:量子コンピューティング:科学と工学と医学の米国科学アカデミーからの進捗と展望レポート、12/3/18

レポートへのリンク:https://www.nap.edu/catalog/25196/quantum-computing-progress-and-prospects

プレスリリースへのリンク:http://www8.nationalacademies.org/onpinews/newsitem.aspx?RecordID=25196&_ga=2.224720602.191491450.1544026218-508219378.1544026218