IBMの研究チームは、カリフォルニア大学バークレー校およびパデュー大学と共同で、今日のNISQ（ノイズの多い中規模量子コンピュータ）コンピューターの1つから有用な量子コンピューティングを引き出すことに成功しました。チームはIBMの最新量子処理ユニット（QPU）の1つであるEagleを使用し、量子ビットノイズの中では失敗すると予想されていた計算を実行しました。しかし、IBMの127量子ビットEagle QPUとカリフォルニア大学バークレー校およびパデュー大学のスーパーコンピューター間の巧妙なフィードバックメカニズムを用いることで、ノイズの多いQPUから有用な結果を得られることを証明しました。量子コンピューティングの実用化への扉は開かれ、その実現は予想よりもはるかに早まっています。
NISQ時代の量子コンピュータは、標準的なスーパーコンピュータ（人類史上最も強力なマシンであり、毎秒数兆回の演算処理能力を持つ）に接続されています。しかし、いかに強力であっても、2つの対象を繋げると、最も遅い方の速度しか出せないというのは普遍的な真理です。そして、この実験では、シミュレーションの複雑さに対応するために高度な技術を駆使し、スーパーコンピュータの負荷はすでに限界に達していました。
「この研究の核心は、イーグルの127個の量子ビットすべてを使って、かなり大規模で深い回路を動作させることができるようになったことです。そして、その数値は正しいものになりました。」
クリスタン・テメ
これは、NISQ 量子コンピュータから抽出できる何らかの有用性がすでに存在していることを意味します。つまり、標準的なスーパーコンピュータでは (少なくとも時間と費用の面で) 達成できない結果を生成できる場合や、その結果を得るために必要な困難のせいで、得られる成果よりも労力の方が大きい場合があるということです。
現在、数百量子ビット（せいぜい）のNISQ時代の量子コンピュータと、数兆個のトランジスタを搭載した標準的なスーパーコンピュータの間で、議論が交わされています。利用可能な有用な量子ビットの数が増えるにつれて、論文で使用されている60よりも深い深さの回路が探求されるでしょう。量子ビットの数と品質が増加するにつれて、標準的なスーパーコンピュータもそれに追いつき、数値計算を行い、可能な限り深い量子コンピューティングの結果のキューを検証する必要が出てきます。
「これは新たな古典的手法の必要性を直ちに示しています」とアナンド氏は述べた。そして、彼らはすでにそれらの手法を検討している。「現在、私たちは同じエラー軽減の概念を古典的なテンソルネットワークシミュレーションに適用し、より良い古典的結果が得られるかどうかを検討しています。」
本質的には、量子システムにおけるノイズの進化をより正確に予測できればできるほど、そのノイズが正しい結果にどのような悪影響を及ぼすかをより深く理解できるようになります。何かを予測する方法を学ぶには、単にそれを刺激し、何が起こるかを十分な回数観察し、それがどのように動作するのかを特定できるようにするだけです。
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これらのレバーの中には、量子ビットをいつどのようにアクティブにするかに関わるものがあります（回路によってはより多くの量子ビットを使用するものもあれば、量子ビットを多かれ少なかれ量子ゲートに配置させる必要があり、特定の量子ビット間のエンタングルメントがより複雑になるものもあります）。IBMの研究者たちは、127量子ビットのQuantum Eagle内でこれらのノブをそれぞれ動かすことで、どのようなノイズがどの程度発生するかを正確に知る必要がありました。なぜなら、ノイズの導入方法がわかれば、ノイズを制御できるようになるからです。そもそもノイズがどのように発生するかを理解すれば、その原因を説明でき、ひいてはノイズの発生を防いだり、利用したりすることが可能になります。
しかし、ノイズの多いコンピューターで計算を実行しているだけでは、その計算が正しいとどうやって判断できるでしょうか？そこで、標準的なスーパーコンピューターと、グラウンドトゥルースの探索が役に立ちます。
IBMチームは、バークレー国立研究所の国立エネルギー研究科学計算センター（NERSC）と、パデュー大学にあるNSFの資金提供を受けたAnvilスーパーコンピュータという2つのスーパーコンピュータにアクセスしました。これらのスーパーコンピュータは、IBMが127量子ビットのEagle QPUで実行したものと同じ量子シミュレーションを、必要に応じて分割して計算します。また、スーパーコンピュータから得られる両方の結果を比較できるように設計されます。これで、グラウンドトゥルース（正解）が得られます。つまり、標準的なスーパーコンピュータによって実現され、検証された、正しいとわかっている解です。これで、ノイズの多い結果と正しい結果を比較する準備が整いました。
「IBMは、私たちのグループがこの種の実験に必要な計算ツールを専門としていることを承知の上で、このプロジェクトを引き受ける気があるかと打診してきました」と、カリフォルニア大学バークレー校の大学院研究員サジャント・アナンド氏は語る。「最初は興味深いプロジェクトだと思いましたが、結果がこのような形になるとは予想していませんでした。」
後は「ただ」「違いを見つける」パズルを解くだけです。ノイズの存在が結果にどれほどの歪みをもたらしたかを正確に理解すれば、その存在を補正し、標準的なスーパーコンピューターの結果に存在していたのと同じ「真実」を収集することができます。IBMはこの手法をゼロノイズ外挿（ZNE）と呼んでいます。
これは共生的なプロセスです。この論文を執筆したIBMチームは、エラー軽減技術（およびゼロノイズ外挿法に相当する技術）を標準的なスーパーコンピュータに導入することを目指しています。最新のハードウェア開発による純粋な処理能力の向上と、アルゴリズムおよび技術の最適化（スマート圧縮アルゴリズムの使用など）により、スーパーコンピュータの純粋な処理能力は向上し、ポストNISQ量子コンピュータの時代と量子エラー訂正の導入に向けて、量子コンピューティングの研究成果をもう少しだけ検証できるようになります。
まさにロープが切れる瞬間であり、量子は古典的な手法で結果を検証する必要がほとんどなくなります。これが量子コンピューティングの速度を低下させている原因です（もちろん、量子ビットが自ら計算を実行できるようにする誤り訂正機能の欠如以外にも）。
この記事のためにTom's Hardwareが行ったインタビューで、IBM QuantumのQuantum Capabilities and DemonstrationsのマネージャーであるAbhinav Kandala博士は、次のように美しく表現しました。
「...その状態のノイズバージョンがあっても、ノイズがない場合にその状態がどのような特性を持つかを測定することができます。」
アビナフ・カンダラ博士
ただし、量子コンピュータでは、問題の複雑さをスーパーコンピュータが処理できる範囲を超えて増大させることができます。また、ノイズがシステムに与える影響を正しくモデル化しているため、ノイズを含む結果に対しても、ある程度の確信を持ってクリーンアップ手順を実行できます。標準的なスーパーコンピュータが提供する「決定的に真実」な結果から遠ざかるほど、ノイズモデルでは考慮されていない（あるいは考慮できなかった）計算に致命的なエラーが発生する可能性が高くなります。
結果は信頼できるものの、実際に実現した量子処理能力は実用的であり、バークレー校のスーパーコンピュータのような現世代の古典的なチューリングマシンでは実現できないほどです。また、現在のNISQ（Noisy Intermediate Stage Quantum）時代のコンピュータでは可能だと思われていたものも超えています。そして、近い将来の量子デバイス向けに設計された多くのアルゴリズムは、IBMのEagle QPUの127量子ビットに収まる可能性があります。このQPUは、60ステップを超える量子ゲートに相当する回路深度を実現できます。
カンダラ博士は次のように付け加えた。「私たちが行っているエラー軽減とは、短い量子回路を実行して期待値と呼ばれるものを測定して状態の特性を測定することです。これは、人々が量子コンピュータでやりたいことのすべてではありません。つまり、その潜在能力を最大限に引き出すには量子エラー訂正が必要です。そして、有用なことを行うには、エラー訂正された量子コンピュータを手に入れて初めてその能力を利用できるというのが、一般的な認識でした。
「決定的な点は、パルスストレッチングを超えてノイズを操作できることでした」とカンダラ博士は述べた。「それがうまく機能し始めると、これまでは不可能だった方法でノイズによるバイアスを抑制できる、より複雑な外挿が可能になりました。」
ZNE は、あらゆる量子コンピューティング アプローチの基本となる可能性があります。エラー軽減は、現在使用されているエラーが発生しやすい NISQ コンピューターにとって不可欠な要件であり、エラー訂正 (特定の量子ビットに、他の量子ビットの計算におけるエラーの訂正に関連する機能を割り当てるアプローチ) の実現に至ったとしても必要になる可能性があります。
IBMによるこの取り組みは、既に同社のロードマップに影響を与えています。ZNEは、量子演算処理装置（QPU）内で既に制御可能な量子ビットから、より優れた量子ビットを生成するという魅力的な特性を備えています。これは、まるでメガヘルツ単位の高速化を実現したかのようです。つまり、ロジックを追加することなく、パフォーマンスの向上（ノイズの低減）が実現したのです。これらの教訓は、「100万量子ビット以上」への道のりにおいて、可能な限り考慮され、実装されていると確信できます。
また、この研究が量子と古典の間に真の競争は存在しないことを示している点も無視できない。AMDの古いモットーを少し転用すれば、未来はまさにFusion（融合）である。Fusionでは、特定のコンピューティング要素が特定の処理ニーズに対応する。どんなに複雑な問題でも、古典から量子まで、それぞれに適したツールが存在する。そして、人間の創意工夫は、私たちがあらゆるツールを使いこなすことを要求しているのだ。
標準的なスーパーコンピュータと量子コンピュータの間にある、いわゆる「綱」には限界がある。しかし、IBMはより巧妙な方法でその距離を延ばしつつある。今回の研究のおかげで、量子コンピュータはすでにその少し先を見据え始めている。カンダラ博士も、自身の予想よりも早く、量子コンピュータの実用化への道筋が見えてくるかもしれない。量子コンピュータの実用化への道は、予定より早く開かれたのだ。さあ、人間がその中で何ができるのか、見てみよう。
Francisco Pires 氏は、Tom's Hardware のフリーランス ニュース ライターであり、量子コンピューティングに関心を持っています。
