古典コンピューティング、最新の量子スマックダウンでカウンターパンチを食らい続ける

Doug Eadline　オリジナル記事

量子コンピュータの進歩に伴い、量子超越性（Quantum Supremacy）の達成に関する発表が定期的に行われている。Quantum Supremacyに関するQ&Aは、スコット・アーロンソン（Scott Aaronson）氏のブログに掲載されている。

公表された結果のひとつは2019年のことだった。このケースでは、Googleが構築した量子コンピューター（Googleの53量子ビットのSycamoreチップ）が、当時のスーパーコンピューティング・ハードウェアで再現するには1万年かかると同社が主張するような性能を発揮していた。使用された具体的な問題は、量子コンピューターのゲートと量子ビットのランダムなシーケンスの出力をシミュレートすることだった。完全に自己言及的に聞こえるが、1と0のシーケンスは量子ビットのランダムな挙動によって導出されたが、研究者が確認できる特定の種類のランダムな結果を示している。

これに対してIBMは、オークリッジのSummitスパコンに搭載されている250ペタバイトのストレージが、GoogleのSycamoreチップの量子状態ベクトル全体を実際に格納できると主張する論文を発表した。この構成であれば、状態ベクトル全体（250ペタバイトすべて）を総当たりで更新することで、同じ結果を約2.5日で計算することができる。

	Sycamore量子プロセッサー 画像提供：Erik Lucero/Google

しかし、ほんの一握りの量子ビットを追加するだけで、QCは再び克服不可能なリードを築くことになる。Googleや 他の誰かが53から55量子ビットにアップグレードすれば、Summitの250ペタバイトのストレージ容量を超えるのに十分だ。60量子ビットになると、33台のSummitが必要になるが、誰が数えているのだろうか？

この例では、QCが両手を挙げて祝杯をあげながらコーナーに戻っていくと、古典的なアプローチは立ち上がって次のラウンドに備える。

2021年の論文で研究者たちは、Googleがプロセッサーの期待される動作を計算するために非常に特殊な方法を選択したが、同等の計算を行う方法は他にもあると指摘した。発表された結果以来、いくつかの古典的な選択肢が、より良いパフォーマンスを示す結果を報告している。一例として、フェン・パン（Feng Pan）氏、キーヤン・チェン（Keyang Chen）氏、パン・チャン（Pan Zhang）氏は論文の中で、GPUベースのクラスタがQCの実行と同じ結果をわずか15時間で出せる特定の方法について説明している。研究者らは、GPUを搭載したスーパーコンピューター（Summitなど）を使ってこの問題を実行すれば、Sycamore量子プロセッサーを上回る性能が得られると指摘している。

私はまだ立っている

今年（2023年）の6月、IBMは重要なQCの結果をNature誌に発表した。今回、研究者たちは特殊なランダム性を作り出す代わりに、127量子ビットのIBMイーグル・プロセッサーを使って、磁場中の127個の磁性量子サイズ粒子の振る舞いをシミュレートするイジング・モデルとして知られるものを計算した。この問題は、強磁性、反強磁性、液体と気体の相転移、タンパク質の折り畳みなど、実際に利用価値のあるものである。127量子ビットにエンコードされると、この問題はスピードよりもむしろスケールの量子的優位性を示すことになる。

IBMの研究チームは、量子ノイズを軽減し、より使いやすい結果を得るために興味深いアプローチを用いた。研究者たちは実際にノイズを多く導入し、プロセッサーの回路各部への影響を正確に記録した。このデータを使って、ノイズがなければどのような計算になったかを推定することができた。

	IBM Eagle Quantum QPU（出典：IBM）

IBMの結果は、古典的なコンピューティングにガッツポーズを与えたように見えたが、ノックアウトを引き起こすほどではなかった。発表から2週間も経たないうちに、フラットアイアン研究所の計算量子物理学センターの研究者たちがこの難題に立ち向かった。テンソルネットワークアプローチを採用することで、量子デバイスで得られた結果よりもはるかに正確な古典シミュレーションを行うことができます。」彼らはまた、このシミュレーションが “控えめな計算資源 “を使用したことにも言及している。

カリフォルニア工科大学のトミスラフ・ベグシッチ（Tomislav Begušić）氏、ガーネット・キンリック・チャン（Garnet Kin-Lic Chan）氏が最近発表した論文には、「ノートパソコンのシングルコアで行った我々の古典シミュレーションは、量子シミュレーションで報告されているウォールタイムよりも桁違いに速い」と書かれている。

カウンターパンチだ。痛い。

誰もが勝つ

量子コンピューティングの進歩に伴い、2つの相補的な結果が期待できる。

1. QCは実用的なシステムの実現に向けて前進を続けており、いずれは成功するだろう（量子ビットは増加しており、ノイズは依然として大きな問題である）。
2. QCは古典コンピューティングを後押しし、多くの既存ユーザーに利益をもたらす新しいアルゴリズムを開発するだろう。

ラウンドを重ねるごとに、より多くの重ね合わせの勝者が市場に残るのだから。