世界のスーパーコンピュータとそれを動かす人々


2月 1, 2024

QuEra社、10,000物理キュービットと100論理キュービットへの3年間のロードマップを発表

HPCwire Japan

John Russell オリジナル記事「QuEra Debuts 3-Year Roadmap to 10,000 Physical and 100 Logical Qubits

中性原子ベースの量子ビットを活用する新鋭量子コンピューティング企業であるQuEra Computing社は、2024年に10個の論理量子ビットを持つ256個の物理量子ビット(Aquilaデバイス、2022年リリース)を、2025年に〜3000個の物理量子ビットと30個の論理量子ビットを、そして2026年に〜10000個の物理量子ビットと100個の論理量子ビットを含む、今後3年間でより大規模なシステムを提供する新しいロードマップを発表した。論理量子ビットは、物理量子ビットを上回る忠実度でエラー訂正されるとQuEraは述べている。

QuEra社の共同設立者兼CTOのネイト・ジェメルケ氏は公式発表の中で、「数年後には、顧客にとって物理量子ビットの数はそれほど重要ではなくなり、焦点はエラー訂正された論理量子ビットに切り替わるでしょう。今日、我々は、量子実験から真の量子コンピューティングの価値への重要な移行において、大きな一歩を踏み出しました。」

この野心的なロードマップは、QuEra社の急速な進歩の証であり、様々な量子ビット方式の中で、中性原子ベースの量子ビットが最有力候補の1つとして浮上していることを示すものだ、とQuEra社は言う。例えば、IBMRigettiGoogleは超伝導量子ビットを追求している。IonQQuantinuumはトラップされたイオンベースの量子ビットを追求している。PsiQuantumはフォトニクスベースのQCに焦点を当てている。同社によれば、100論理量子ビットを達成することで、初期のユーザーは量子ビット数について考えるのをやめ、古典的なコンピュータでの量子ビットシミュレーションの範囲を超えるアプリケーション開発に集中できるようになる。

 
  アレックス・キースリング氏 QuEra社 CEO
   

QuEraのアレックス・キースリングCEOは、HPCwireとのブリーフィングで、「この100論理量子ビットの重要性は2つあります。私たちは、100個の論理量子ビットを実際に利用する高度なアルゴリズムを実行できる段階になるでしょう。つまり、論理量子ビットの数だけでなく、実行可能なアルゴリズムの深さも、もっと小さなシステムでは実現できなかったことなのです。これは、アルゴリズムの結果がどうなるかを(古典的なシミュレーションによって)古典的に予測することができないレベルなのです。」

「そして重要なのは、結果を予測することはできませんが、その結果が正しいものであること、計算中にエラーが混入していないことを証明できる初めての機会になるということです。これはNISQ(ノイズの多い中間スケール量子コンピューティング)時代を制限する大きな要因となっています。私たちは歴史上かつてない新しい計算能力を手にすることになり、それが自然に適している問題があります。化学や材料、その他似たような分野がそうだと思います。これが、最初の本格的なユーザーが出てくるところだと思います。」

 

中性原子ベースの量子ビットを開発している企業は比較的新しい。QuEraはハーバード大学とマサチューセッツ工科大学の研究を活用して2021年に立ち上げられた。フランスの中性原子ベースのQCスタートアップであるPasqalは2019年に設立された。同じく中性原子ベースのQCに注力するAtom Computingは、コロラド大学で行われた研究を活用して2018年1月に設立された。彼らは新参者だ。

大まかに言えば、中性原子ベースのQCプラットフォームには長所と短所がある。原子は本質的にすべて同じなので、製造上の問題はない。QuEra社はルビジウム原子を使用しているが、他社は他の元素を使用している。中性原子量子ビットはコヒーレンス時間が長く、これも長所である。欠点としては、例えば半導体ベースの超伝導量子ビットに比べてクロック速度が遅いことである。

一般的なアプローチは、真空チャンバー内に中性原子を置くことである。レーザーは、原子を「冷やし」、原子の位置を固定し(あるいは移動させ)、目的の量子状態を誘導するために使われる。各社によって、この方法は異なる。エンタングルメントは、原子をポンピングしてリュードベリ状態にし、近くの原子が絡み合うのに十分な距離になるようにすることで達成される。柔軟性も強みだ。中性原子ベースのシステムは、ゲートベースの量子コンピューティングだけでなく、アナログ量子コンピューティングにも使用できる。(QuEraの中性原子技術の説明へのリンク)。QuEraの現在の製品(Aquila)は、アナログ・モードのデバイスである。

QC開発に携わる誰もがそうであるように、QuEra社はエラー訂正/軽減の改善に注力しており、先月、ハーバード大学とMITが主導する共同研究の一環として、48個の論理量子ビットと数百のもつれ論理演算を持つエラー訂正量子コンピューター上で大規模アルゴリズムの実行に成功したことを報告し、大きなニュースとなった(Nature誌を参照、この記事の最後にも簡単な要約がある)。

ロードマップの主な特徴に関するQuEraの説明は以下の通り:

  • 2024: 2024年:10個の論理量子ビット、ユニークなトランスバーサルゲート機能、256個以上の物理量子ビットを持つ量子コンピュータを立ち上げる。トランスバーサルゲートは、量子ビット間のエラー伝搬を防ぎ、本質的にエラーに強いため、量子コンピューティングにおいて極めて重要である。また、各クォビットごとに独立してエラーを訂正できるため、量子エラー訂正を簡素化することができる。このシステムにより、誤り訂正量子コンピューティングの基礎が確立される。さらに、エラー訂正時代のアルゴリズムの評価と準備を支援するため、QuEraは2024年前半にクラウドベースの論理量子ビットシミュレータをリリースする予定である。
  • 2025: 3000以上の物理量子ビットがサポートする、マジックステート蒸溜法による30個の論理エラー訂正量子ビットを備えた強化モデル。マジックステート蒸留法により、より広範な量子ゲートをより忠実に実装できるようになり、万能量子に不可欠な非クリフォードゲートの実行が可能になる。
  • 2026: 100個の論理量子ビットと10,000個以上の物理量子ビットを持つ第3世代のQECモデルの導入。深い論理回路が可能なこの開発により、量子コンピューティングはシミュレーション可能な限界を超え、発見と革新の新時代が到来する。

新しいクラウドベースの論理量子ビットシミュレータは、研究者がどのコードが最適かを探ることを可能にするとQuEraは言う。「各論理量子ビットに必要な物理量子ビットの数、エラーの良し悪しなどはトレードオフの関係にあります。ですから、私たちはそれをオープンにし、研究者たちがその理解に貢献できるようにするつもりです」とQuEraのCMOであるユヴァル・ボーガー氏は語った。もちろん、大きな飛躍は100論理量子ビットのQuEraマシンが完成したときにやってくる。

ケスリング氏は言う。「より大きなスケールで機能することが分かっているアプリケーションもあります。しかし、未開拓の領域があります。量子コンピューターが何をすることができるのか、その時点での適切なアプリケーションは何なのかを予測する数学的ツールがまだないのです。このことは、10量子ビットや30量子ビットでアルゴリズムを開発することの重要性を強調していますが、100量子ビットの規模になると、これは前例のない新しいツールになると思います。量子コンピューティングが非常にエキサイティングなものになるのは、その時点からであって、今は難しいので考えてもいないことができるようになるからです。」

QuEraはロードマップの中で、これを実用的量子アドバンテージと呼んでいる。

完全に形成されたアプリケーションとしてではなく、新しいことができるような規模で量子コンピューターを動かす能力として考えてほしい。このような探求の結果、新しい学習、新しいアルゴリズム、新しいアプリケーション、新しい興味の対象が生まれるはずだとケスリング氏は言う。

 
  Aquila256量子コンピュータ、出典:Quira QuEra
   

256量子ビットから10,000物理量子ビットと効果的なエラー訂正方式への飛躍は、3年で達成するには困難な挑戦のように思える。QuEra社は、量子ビットの数を増やすために必要なエンジニアリングは可能であり、他のシステムよりも複雑ではないと主張している。もちろん、原子は小さい。原子を移動させる能力は向上し続けている。

「私たちは、2つのグループの量子ビットを1つのレーザーパルスでまとめて、すべての量子ビットに作用させることができる同時ゲート(トランスバーサルゲートと呼ばれることもある)を持っています。極低温での冷却は必要ありません。つまり、室温で動作し、インターコネクトなしで多数の量子ビットを得ることができるのです。これらはすべてプラスに働きます。定義上、すべての原子は同一である。中性原子コンピューティングの欠点はクロック速度です」とボーガー氏は言う。

ケスリング氏は「2つの疑問があります。ひとつは物理的な量子ビットのモダリティ。もうひとつはアーキテクチャで、ユヴァルが説明していた、原子群を動かすことができること、異なるゾーンを分離できること、任意のアルゴリズムを実行するのに必要な古典的な制御が非常に少ないことです。これらはすべて、中性原子を使うことで可能になるアーキテクチャ上の考慮事項です。」

「クロックスピードの問題は、もちろん現実的なものです。私たちはそれを克服する方法を考えることに時間を費やしています。近い将来、速度に関係なく、数十から数百の論理量子ビットでアルゴリズムを実行できるようになることが第一の目標になると思います。クロックサイクルは、ニュートラル・アトム・プラットフォームが改善しなければならない点です。私たちはそれに向けていくつかの作業を始めていますが、それに対する私たちのアプローチがどのようなものになるかを共有するには、まだ予備的すぎます」と彼は言う。

ロードマップの数字が公表されたことで、競合他社の調査は間違いなく活発化するだろう。もちろん、量子技術のロードマップは他にも公開されており、同列に比較することは必ずしも容易ではない。

QuEraの自信の表れとして、システムのオンプレミス展開を計画していることが挙げられる。

ボーガー氏は、「今後2、3ヶ月のうちに、おそらく米国外で最初のオンプレミス契約を発表することになると思います。成熟度という点では、QuEraにとって大きな出来事です。私たちは昨年、量子コンピュータの運用に関する専門知識を身につけました。アマゾンで週10時間だったのが、週100時間以上になりました。だから基本的に、システムはもうほとんど自走している。今、私たちはその技術を手に入れ、オフサイトで提供することに安心しています。大まかなスケジュールを考えると、ゼロ年目にハーバード大学で私たちとともにデモを行ったものが、1年後にはQuEraで稼働し、一部の顧客にリモートアクセスできるようになり、2年目、つまり1年後にはオンプレミスで提供できるようになります。これが、研究室から現場への移行を考える方法です。」

QuEraは協力者について多くを語っていない。QuEraはDarpaのIMPACT(Imagining Practical Applications for a Quantum Tomorrow)プロジェクトに7つ参加している。

ケスリング氏は、「われわれには、商業サイドと学術・公共サイドの協力者がいます。学術的な面では、ハーバード大学やマサチューセッツ工科大学(MIT)と共同研究を行っていることが非常によくわかると思います。また、UCLAのグループとも、計算の観点からエラー訂正の研究に取り組んでいます。商業的な面では、いくつかのNDAを結んでいます。エラー訂正の面では、あなたが説明したコードやアルゴリズム、技術へのアクセスモード、そして特殊なハードウェアをシステムに統合することなどについて、さまざまな企業と協力しています。」

量子ビットのモダリティとそのチャンピオンの間で高まる競争がどのように展開されるのか、興味深い。超伝導量子ビット陣営には長年の経験があり、エラー訂正が課題ではあるものの、急速に進歩している。トラップ型イオンの企業も同様に経験を積んでおり、市場により深く踏み込もうとしている。

ケスリング氏は、多くのQC開発面で進展が見られると認識している。

「私たちはすでにそれを目の当たりにしています。量子コンピューティングや産業界について学ぶべきことは十分にあります。量子コンピュータは、さまざまなモダリティに対応しています。私たちが利用しているクラウドサーバー上にも、量子コンピューターがあります。スペースはあると思います。すべてのプラットフォームの進歩は一貫しています。」

「私たちのプラットフォームの進歩は最速であり、それが私たちの将来に大きな自信を与えてくれています。しかし、さまざまなタイプの問題を抱えるさまざまな顧客がいて、その顧客はさまざまな利用可能なプラットフォームで実行したいと考えるでしょう。時間が経てば経つほど、ひとつのアプローチで一貫して最高のパフォーマンスが得られるようになると思います。私は、それがQuEraのアプローチであり、その技術のためのツールやミドルウェア、その他の周辺製品をすべて構築することに、市場がどんどん絞り込まれていくと考えています。それこそがQuEraを際立たせ、繁栄させ続けることになるでしょう。」

ご期待ください。

ハーバード大学の最近の研究概要

ハーバード大学、48個の論理キュービットを用いてECアルゴリズムを実行

効果的なエラー訂正/緩和は、おそらく量子コンピューティングにおける中心的な課題となっている。ハーバード大学がQuEra、マサチューセッツ工科大学(MIT)NIST/UMDとの共同研究で、48個の論理量子ビットと数百のエンタングル論理演算を持つエラー訂正量子コンピューターで大規模アルゴリズムの実行に成功したことを、中性原子ベースのQCスペシャリストであるQuEraが先月報告した

研究者らは次のようなハイライトを挙げている:

  • これまでで最大の論理量子ビットの生成とエンタングルメントにより、符号距離が7となり、論理ゲートのエンタングルメント中に発生した任意のエラーの検出と訂正が可能となった。符号距離が大きいほど、量子エラーに対する耐性が高いことを意味する。この研究により、コード距離を長くすることで論理演算のエラー率が実際に減少することが初めて示された。
  • 複雑なアルゴリズムの実行に使用された48個の小型論理量子ビットを実現し、同じアルゴリズムを物理量子ビットで実行した場合の性能を上回った。
  • 280個の物理量子ビットを制御することにより、40個の中規模誤り訂正符号を構築。

この成果はNature誌に掲載された(Logical quantum processor based on reconfigurable atom arrays)。

以下はその要旨である:

「最大280個の物理量子ビットで動作する、符号化された論理量子ビットに基づくプログラマブル量子プロセッサの実現について報告する。論理レベル制御と再構成可能な中性原子アレイのゾーン化アーキテクチャを利用することで、我々のシステムは、高い2量子ビットゲート忠実度、任意の接続性、完全にプログラム可能な1量子ビット回転と回路途中の読み出しを兼ね備えている。この論理プロセッサを様々なエンコーディングで動作させ、表面コード距離をd=3からd=7に拡大することによる2量子ビット論理ゲートの改善、ブレークイーブン忠実度5を持つカラーコード量子ビットの準備、論理GHZ状態の耐障害性生成とフィードフォワードもつれテレポーテーション、さらに40個のカラーコード量子ビットの動作を実証する。」

「最後に、3次元コードブロックを用いることで、228個の論理2量子ビットゲートと48個の論理CCZゲートにより、ハイパーキューブ接続でエンタングルされた最大48個の論理量子ビットを持つ計算上複雑なサンプリング回路を実現した。この論理符号化により、エラー検出のアルゴリズム性能が大幅に向上し、クロスエントロピー・ベンチマークと高速スクランブリングの量子シミュレーションの両方で、物理量子ビットの忠実度を上回ることがわかった。」

研究者らは、これらの結果は「早期のエラー訂正量子計算の到来を告げるものであり、大規模論理プロセッサへの道筋を示すものである」と述べている。