Google 量子チップが 1 兆年分のタスクを 5 分で完了 -

量子力学は 120 年以上前から存在しています。二重スリット実験からシュレーディンガーの猫の思考実験まで、量子力学は常に最も神秘的で複雑な物理法則の XNUMX つと考えられてきました。

アメリカの理論物理学者リチャード・ファインマンはかつてこう言いました。「量子力学を理解していると思うなら、それは量子力学を理解していないということだ。」

量子力学は私たちにとって遠い存在のように思えますが、その発展は急速です。2016年、中国は量子科学実験衛星「墨子号」の打ち上げに成功し、2022年には「量子情報科学」への貢献によりXNUMX人の科学者にノーベル物理学賞が授与されました。

最近、Google は量子力学の分野でも大きな進歩を遂げており、これは「画期的な」イノベーションと評されています。

GoogleのQuantum AIチームの創設者兼責任者であるハルトムート・ネヴェン氏は、ブログ投稿で最新の量子チップ「Willow」の発売を発表し、これが大規模量子コンピューターへの道を開くものだと主張した。

記事の中で、ネヴェン氏はこのチップは「多くの基準で最も先進的なパフォーマンスを発揮する」と述べ、「2つの大きな成果を達成した」としている。

まず、ウィローは「量子ビット」の数（105）を増やし、「大幅に」エラーを削減しました。
5 番目に、Willow は最新の「ランダム回路サンプリング (RCS) ベンチマークテスト」を XNUMX 分以内に完了しました。

これらの画期的な成果を理解するには、量子コンピュータと量子チップがどのように機能するかを理解する必要があります。

量子力学の核となる概念は「重ね合わせ」です。これは、量子システムが複数の状態に同時に存在できることを意味します。量子コンピューターは、この重ね合わせを利用して、量子コンピューターの計算の基本単位である「量子ビット (Qubits)」を作成します。

従来のコンピューターのバイナリビットとは異なり、量子ビットは 0 と 1 の両方が同時に「重ね合わせ」の状態になることができます。この状態により、量子コンピューターは複数の計算パスまたは状態を同時に処理できるため、特定の複雑な問題を解決する際に従来のコンピューターよりも高速かつ効率的になります。

重ね合わせた量子ビットを持つ量子コンピュータの図。 — _{画像出典: Microsoft}

さらに、量子ビット間には「量子もつれ」と呼ばれる特別な関係があります。量子ビットがもつれている場合、量子ビット間の距離に関係なく、1 つの量子ビットの状態が別の量子ビットの状態に即座に影響します。

したがって、1 つの量子ビットの状態を知ることで、他の量子ビットの状態を推測し、情報の転送が可能になります。この機能により、量子コンピューターは複雑な問題に取り組む際に、より効率的に情報を共有および転送できるようになります。

しかし、量子ビットの状態は非常に脆弱で、外部環境（温度、振動、電磁干渉など）によって簡単に乱され、量子情報の損失につながる「量子デコヒーレンス」と呼ばれる現象が発生します。エンタングルメントにより、エラーが 1 つの量子ビットから他の量子ビットに伝播し、計算能力に影響を与える可能性があります。

さらに、量子ビットは環境と情報を急速に交換する傾向があるため、計算を完了するために必要な情報を保護することは困難です。通常、量子コンピューターが使用する量子ビットの数が増えるほど、エラーが発生しやすくなり、システム全体が「古典的なシステム」に戻る可能性が高くなります。

量子エラー訂正を説明する図。 — _{量子エラー訂正の図解（画像提供：Microsoft）}

しかし、ハルトムート・ネヴェン氏によると、Google の研究者は、より多くの量子ビットが使用されるにつれて Willow チップがより多くのエラーを削減し、エラー率が指数関数的に減少することを可能にする新しい「量子エラー訂正」方式を導入したとのことです。

ハルトムート・ネヴェン氏は、この分野における歴史的な成果は「閾値以下」として知られており、量子ビットの数を増やしながらエラーを減らすことを意味すると述べています。また、ハルトムート・ネヴェン氏は、ピーター・ショア氏が 1995 年に量子エラー訂正を導入して以来、これは極めて困難な課題であったと強調しています。

そのため、「閾値以下」は「誤り訂正の実質的な進歩」を示しており、ウィローは閾値以下の初のシステムとなり、超大型量子コンピュータの構築の可能性を示唆している。この研究成果は、学術誌「ネイチャー」にも掲載された。

量子コンピューティング研究を特集したNature誌の表紙。 — _{画像ソース：Google}

記事によると、ウィローは ランダム回路サンプリング（RCS）テストは、「これまでで最も難しい量子コンピューターの古典的なベンチマークテスト」と評されるテストを、わずか 5 分で完了しました。Hartmut Neven 氏は、Willow の最新の結果は「これまでで最高」であると述べています。

対照的に、世界最速のスーパーコンピュータでも RCS を完了するには 10^25 年かかり、これは宇宙の年齢 (約 13.8 億年) を超える時間です。

ランダム回路サンプリング (RCS) は、量子コンピュータのパフォーマンスを評価するために使用される方法です。基本的な考え方は、量子コンピュータを使用してランダムに選択された量子ゲート操作を実行し、ランダムな量子状態を生成し、これらの量子状態をサンプリングして測定することです。

RCSは、Hartmut Nevenのチームによって最初に提案され、現在では「分野における世界標準に設立された地域オフィスに加えて、さらにローカルカスタマーサポートを提供できるようになります。」

ランダム回路サンプリングテストを実行する量子コンピュータ — _{画像ソース：Google}

2019年にGoogleは、同社の量子プロセッサ「Sycamore」が世界最速のスーパーコンピュータでもXNUMX万年かかる計算をXNUMX分で完了できると主張し、研究チームが「量子至上に設立された地域オフィスに加えて、さらにローカルカスタマーサポートを提供できるようになります。」

IBM は Sycamore のテスト結果に異議を唱え、「量子超越性」という用語も、Google が「単なる芸術的な用語」に過ぎないと主張したにもかかわらず、かなりの論争を巻き起こしました。その後、Google はこの用語の使用を避け、「従来のコンピューティングを超える」成果を達成したと述べています。

さらに、IBM と Honeywell は、量子力学の研究において、量子コンピューティングデバイスを説明および定量化するために一般的に「量子ボリューム」という用語を使用していますが、この概念は Google ではまったく使用されていません。統一された標準がないため、競合製品を比較することは困難です。