QED-Cが語る「量子コンピュータには官民の協力が必要だ」

John Russell　オリジナル記事

量子経済開発コンソーシアム（QED-C）は、新しいレポート「量子コンピューティングにおける官民パートナーシップ」を発表した。このレポートは、政府と民間の協力関係の強化を求め、新たなユースケースを広く説明し、官民パートナーシップ（PPP）をさらに追求するための提言を行うものである。量子ウォッチャーにとっては、誇大広告（と深い技術）を排除し、今日の量子コンピューティングの進歩の状況を慌てずにとらえた、興味深い文書だ。

以下は、報告書のエグゼクティブサマリーの抜粋である。

「量子コンピューティング（QC）は大きな可能性を秘めた技術であるが、現時点では可能性のみである。かなりの量のQC研究開発（R&D）が行われているにもかかわらず、現在までのところ、経済的に意味のあるユースケースは実証されていない。量子コンピュータは、技術予測に関するアマラの法則に従って、短期的には過大評価され、長期的には過小評価される可能性がある。本レポートでは、短期的な視点に焦点を当てている。このレポートでは、近い将来の量子コンピュータ応用の可能性を評価するとともに、官民パートナーシップ（PPP）を利用して量子コンピュータの有意義な応用に向けた時間軸を加速させるという展望を述べている。」

「量子コンピューティングの概念実証のためのアプリケーションは、これまでにも数多く研究・報告されている。しかし、多くのアプリケーション、特に野心的なアプリケーションでは、量子ビットの数が100から1000のオーダーで、フォールトトレラントな量子コンピュータが必要であることが認識されている。このような耐故障性コンピューティングがいつ実現されるかは未知数である。それ以前に、量子アニーラーを含むノイズの多い中間スケール量子コンピュータ（NISQ）上で動作するアルゴリズムが、特に最適化や特定の機械学習（ML）アプリケーションにおいて、従来のアプローチと有利に競争できる可能性がある。また、このようなことがいつ起こるかも不明だ。コンセプトの証明として、今後3年以内に実現する可能性がある。QCアプリケーションの文献をレビューすると、経済的なベースでは、今後3年以内に実現する可能性は低いことが示されている。」

QED-Cは、2018年に成立した米国量子イニシアチブ法の一環として、商業的な量子科学を育成するためのフォーラムとして設立さ れた。その明言されたミッションは、基本的に米国における量子情報科学産業のジャンプスタートであり、QED-CはSRI Internationalによって運営され、現在約240名のメンバーがおり、米国国立標準技術研究所（NIST）はメンバーであると同時に幅広い監督責任を負っている。(HPCwireの報道、Merzbacher Q&A: Deep Dive into the Quantum Economic Development Consortium)

QED-Cのエグゼクティブディレクターであるセリア・メルズバッハ氏はHPCwireに、「量子コンピューティングは大きな可能性を秘めていますが、この技術がその可能性に到達するタイムラインは不明確です。我々の研究では、どうすればそのタイムラインを早めることができるかを検討しました。我々は、直近のアプリケーションを特定するための官民パートナーシップを構築し、その後、優先アプリケーションを目的とした量子コンピューティングチャレンジを確立することによって、進歩を加速することが可能であると信じています」と述べている。」

この報告書は興味深く、すぐに読むことができる。イノベーションの歴史は、革命的な技術の発明だけではその利用につながらないという原則を明確にしているとQED-Cは主張する。

「新技術は、ユーザーが有意義な規模で導入するためには、現実の問題を解決する上で著しく優れていなければならない。有意に優れているとは、あるアプローチから別のアプローチへの切り替えに伴うコスト（財務、運用、組織、教育）を克服するのに十分なレベルの優位性を意味する。新技術を実世界で持続的に利用することが、イノベーションを単なる発明と区別するものである。この報告書の時点では、量子コンピュータは、真のイノベーションを目指す壮大な発明であると評価するのが妥当であろう。この目標に到達するために、QC 能力はできるだけ多くの実世界のユースケースにさらされる必要がある。PPP を含むパートナーシップは、この露出を促進する理想的なメカニズムである」と、報告書は述べている。

この報告書によると、量子コンピュータのユースケースは大きく4つに分類さ れる：

• 最適化：効率、コスト、移動距離などの目的関数を最大化すること
• シミュレーション：物理システム、特に量子力学的な性質や微分方程式の解を含むシステムのモデリング
• 線形代数：機械学習や人工知能（AI）アプリケーションで使用される行列の対角化と関連する分析
• 因数分解: 暗号に使われる大整数の因数を導き出す

この研究では、NISQ（Near-term Intermediate Scale Quantum Computer）の進歩によって解決できるかもしれない近い将来のユースケースと、完全に耐故障性のあるシステムによって行われる長い将来のケースを区別している。後者は、一般に10年程度先の話と考えられている。QED-Cでは明確なタイムラインは設定していないが、大まかに言えば3年以内とされている。この報告書では、特に近い将来の量子コンピューティングのために、古典と量子のハイブリッドアプローチの重要性についても触れている。

そのほとんどは、量子コンピューティングのコミュニティにとって馴染みのある分野だ。それでも、QED-Cのレポートは明確に描かれており、分かりやすいサマリーになっている。また、さまざまな産業や応用分野で進行中の研究例もいくつか引用している。ここでは、そのうちの2つを紹介する。

• 「グラクソ・スミスクライン社は最近、遺伝子発現に関する研究や組換えタンパク質治療の開発において、D-Wave社製の量子アニーリングマシンがコドン最適化において古典的コンピュータと競合できることを発表した。グラクソ・スミスクライン社は、ゲート型量子コンピュータは、この種の分析ではまだ古典的コンピュータと競合できないことを発見したが、より大きな耐故障ゲート型量子コンピュータの開発が成功すれば、競合できると考えている。グラクソ・スミスクライン社が行った最適化解析のタイプは、量子アニーラーが取り組むように設計された最適化問題のタイプの典型で、組合せ論が中心となっているものである。」
• 「例えば、富士通は大手自動車メーカーと提携し、シャーシ溶接装置のジョブショップスケジュールと位置決めに関連する最適化の課題に取り組んでいる。ポリ塩化ビニル（PVC）のシームシーリングは、自動車生産で最もコストのかかる工程のひとつで、製造コスト全体の平均40パーセントを占めている。シームシーリングロボットは、非常に多くの溶接操作の組み合わせに直面しており、量子アニーリングコンピュータが対応できる大規模な組み合わせ問題である。富士通のパートナーは、8192ビットのデジタルアニーリングを用いて、限られた数の溶接機に対して最適な溶接機の往復をマップすることに成功した。富士通は、同様のアニーリング手法で自社の倉庫業務を最適化している。」

DARPAグランドチャレンジ、COVID-19 HPCコンソーシアム、Manufacturing USAなど、過去および現在進行中の10のPPPをレビューし、その動機と運用を探る一方で、このレポートの肝は、より量子に的を絞ったPPPを求めることである。 「3年以内に実世界でのQC応用は不可能であるが、政府主導のPPPには、量子コンピュータの技術状況を進め、実世界応用を前倒しする重要な根拠が残っている」と述べているのだ。

量子コンピュータのパイオニアの中には、量子的な優位性を達成するための詳細なロードマップを発表している企業がいくつかある。その一例が、春に発表され、7月にさらに拡張されたIBMのロードマップである。

QED-Cの報告書は、おそらくもう少し控えめなスケジュールで提案されている。以下は、QED-Cが行った3つの提言の一部である。

提言1：テーマ別アプリケーションの発見

「政府にとって価値のある一連の潜在的な短期的 QC アプリケーションを見つけることは、図 1 の各専門家コ ミュニティ間の協力を伴う協調的な発見プロセスを通じて行うのが最も効果的である。連邦政府は、QC のハードウェア及びソフトウェアの専門家、アプリケーションドメインの専門家、並びに政策及び市場の専門家の間の協力を促進することにより、近い将来可能性のある QC アプリケーションを発見することを使命とする PPP の設立を検討する必要がある。このようなパートナーシップは、気候や持続可能性、公衆衛生など、重要な公益テーマアプリケーション分野を中心に組織されるべきで、その分野では既に量子研究開発の臨界量が出現している。」

「短期的な目標は、3年以内に実世界での応用を達成するという意味では定義されていない。むしろ、提案されているパートナーシップの目的は、現実世界での進歩が可能となる時期を早める目的でユースケースを評価することであろう。政府参加者は、重要なユースケースを特定し、これらのユースケースへの対応を有意義に進めるための基準について、第一の責任を負うことになる。これは、選択されたテーマ領域内で行われる。」

提言2：量子力学への挑戦

「政府が支援するチャレンジは、政府のミッション分野で使用することを目的とした技術開発を加速させる上で有効であることが実証されている。また、参加者の進捗状況や技術的な可能性についての理解の向上に応じて、政府がスケジュールや目標を修正することができる反復的な競争アプローチに従っている。」

「米国連邦政府は、QCチャレンジを組織することを検討すべきである。狭い範囲に焦点を絞った量子チャレンジは、提言 1 の広範な焦点を補完するものである。このチャレンジは、（a）政府のミッションとの関連性が明確で、（b）民間部門が積極的に関心を持ち、（c）現在のQC研究のクリティカルマスがある分野に焦点を当てるべきである。前述の短期的なアプリケーションのセクションで説明したいくつかの分野は、これらの基準に合致している。金融詐欺の検出は、民間金融サービス企業が詐欺検出のための量子コンピューティングに関心を持っていること、また、量子コンピュータの異常や詐欺検出ツールの実験や開発に利用できる実世界のデータが膨大であることから、特に注目されている。」

提言3：量子イネーブルテクノロジーの加速化

「上記のアプリケーションに焦点を当てた 2 つのパートナーシップに加え、連邦政府は量子コンピュー ティングの根本的な技術開発の課題に取り組むことに焦点を当てた PPP を支援することを検討すべきであ る。DOE の INFUSE (Innovation Network for Fusion Energy) プログラムは、実用的な核融合エネル ギー開発への技術的障害に対処するためのプロジェクトに資金を提供するものである。これは、QC 研究開発への適用を検討する価値のあるモデルである。」

「INFUSEプログラムは、DOE国立研究所のユニークな能力を活用し、核融合エネルギー技術を前進させるために必要な技術的・財政的支援を、民間の核融合エネルギー企業に提供するものである。INFUSEプログラムは、企業が技術を商業化したり、他で容易に入手できる研究サービスや専門知識、設備を利用できるようにすることを目的としているわけでない。むしろ、企業は核融合を可能にする技術開発に関連する特定の課題を解決するための支援を要請している。支援要請は、提案されたプロジェクトが核融合エネルギー研究開発の全体的な進展に与える影響に基づいて評価さ れることになる。INFUSEモデルでは、20％のコストシェア以外、申請企業にはほとんど要求さ れない。」

「量子に関する INFUSE モデルは、DOE の QIS 研究センターが参加することから始まる。QISセンターは、DOEの中核的な研究ポートフォリオと相まって、米国でQISを推進するために必要な国家的エコシステムを管理することを目的としている。INFUSEモデルを量子コンピューティングに適用するには、このような視点からさまざまな方法が可能だ。単なるコストシェアではなく、参加企業による積極的な研究開発への参加は有益だ。また、関連する能力を持つ大学やその他の団体を含む追加参加者を拡大する必要がある。提案されている PPP は、量子産業における一般的な利用が見込まれるプロジェクトに焦点を当て、事前に競争力を持たせる必要がある。プロジェクトの適切な適格性基準と申請者の評価基準の策定は、このようなパートナーシップの重要なガバナンス要素である。事実上、このパートナーシップは、民間企業によるそれぞれの要求に対して、予算、スケジュール、目標設定、そして申請プロセスの成果として作成された業務記述書など、焦点を絞った PPP を作成することになる。」

この最新の QED-C レポートは、量子コンピューティングが主流になるまでにはまだ多くのことが残されていることを思い起こさせるものだ。ハードウェア、ソフトウェア、開発ツール、潜在的なユーザーによる試行錯誤など、商業的な量子科学のエコシステムは急速に拡大しつつある。そして、技術の進歩も加速している。しかし、ハードルはまだ残っている。QED-Cは、量子をターゲットとしたPPPは、開発を加速させるのに役立つと主張している。

QED-Cの発表と報告書全文へのリンク、https://quantumconsortium.org/ppp22/