IBMは本日開催されたQuantum Summitにおいて、「Osprey」QPU（量子処理装置）の開発に成功したことを発表しました。これは2022年のロードマップ目標である433量子ビットの実現を目指したものです。この新型QPUは、単一のQPU内で動作する量子ビット数を大幅に増加させます。前世代の「Eagle」QPUはわずか127量子ビットでした。
この新たな発表は、2030年までに数万（おそらく数十万）の量子ビットを備えたQPUの提供を目指すIBMの積極的な量子コンピューティングロードマップにとって、自信に満ちた新たな一歩となる。
私たちは、世界中のパートナーやお客様と協力し、ハードウェア、ソフトウェア、そして従来の統合技術を横断的に量子技術のスケールアップと進化に継続的に取り組み、現代の最大の課題に取り組んでいます。この取り組みは、量子中心のスーパーコンピューティングの時代における基盤となるでしょう。
Ospreyの発売はIBMにとって重要な意味を持つ。IBMのロードマップのまさに真ん中に位置するOspreyは、単一チップ内の量子ビット数において過去最大の増加を実現している。Eagleと比較すると、Ospreyは量子ビット数を3.4倍に増加させており、これはIBMが3年後に4,158量子ビットのKookaburra QPUの導入を計画している際に達成すると見込んでいる量子ビット数の増加よりもさらに大きい。また、2019年に27量子ビットのFalconが導入されて以来、量子ビット数の増加はこれまでで最も大きい。
IBMのロードマップにおけるOspreyの位置付け――同社が来年Heronとそのp結合を用いて複数のQPUを相互接続することで量子スケーリングの検討を開始する直前――を考えると、品質を犠牲にすることなく量子ビット数を増加させることは極めて重要です。しかし、おそらくさらに印象的なのは、この量子ビット数の急増が、IBMが将来のモジュール型製品の基礎の大部分を築いた時期とほぼ同時に実現されたという事実です。
同社は2023年を目処に、133量子ビットのスケーラブルなHeron QPUの導入を目指しています。このQPUは、p結合を利用して複数のHeronチップを相互接続します。モノリシックQPUを構築するよりも、特定のパッケージ内で量子ビットを拡張し、別々のパッケージをリンクする方が簡単であるという考え方に基づいています。
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確かに、ワークロード分散に関する課題が生じます。大規模な量子問題を、量子回路を動作させるために利用可能なチップ（またはチップ群）に収まるように分割する方法は複数ありますが、その方法はパフォーマンスに深刻な影響を与えます。しかし、マルチチップスケーリングは必須であり、このアプローチを採用するには、制御電子機器サブシステム全体、つまり従来型コンピューティングと量子コンピューティングの橋渡しとなる部分を再設計する必要がありました。
IBM Quantum の主任ハードウェア アーキテクトであるオリバー ダイアル博士によると、同社の希釈冷凍機 (超伝導量子ビットを絶対零度 (-273.15 °C) 近くまで冷却するハードウェア) 内の量子ビット制御メカニズムを変更したことで大幅な改善が実現しました。
Osprey以前、IBMは動作中の量子ビットへのマイクロ波制御情報の伝送に同軸ケーブルを使用していました。現在、同軸ケーブルはフレキシブルリボンケーブル（ノートパソコンなど、電子機器やヒンジがある場所で使用されているものと同じ種類のもの）に取って代わられました。これらのリボンケーブル自体は、以前のソリューションよりもはるかに小さなスペースを占め、はるかに高いスループットを提供すると同時に、導入にかかる時間とリソースを削減します。Dial博士によると、IBMはこれらのリボンケーブルによって制御密度を70%向上させながら、コストを5分の1に削減することができました。
IBM のこの新しい量子世代のもう 1 つの重要な要素は、制御サブシステム内の FPGA (フィールド プログラマブル ゲート アレイ) パフォーマンスの向上です。
IBMの量子ビット制御は将来、量子用途に特化したASIC（特定用途向け集積回路）へと移行するが、FPGAはその柔軟性を活かして、これまで主要な処理を担ってきた。IBMはFPGAのプログラマブル設計内で様々な制御方式のプロトタイプを作成できる。これにより、IBMが完全なASICへの移行に十分な自信を持てるようになるまで、迅速な実験と反復作業が可能になる。ダイアル博士によると、この変更により、1つの量子ビットを制御するために必要な電力が約100Wからわずか10ミリワットに削減され、電力効率がさらに飛躍的に向上するという。
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重要なのは、オスプレイの超伝導量子ビットが（量子ビット数の大幅な増加にもかかわらず）同社の最高記録に匹敵するコヒーレンス時間を示しているとダイアル博士が述べている点であり、これは純粋な量子量（IBMおよび他の業界プレーヤーが支持する量子コンピューティングの性能推定）が量子ビット数の増加に伴って必ず増加するということを意味している。
IBMによると、Ospreyの量子ビットの数と品質は、量子ビットの計算状態を記述しようとする古典的システムでは、宇宙に存在する原子の数よりも多くの利用可能なビット数を必要とするほどである。我々はすでに量子優位性の段階に入っているように思われる。
もちろん、量子ビットの数と品質は向上するかもしれませんが、純粋な量子ハードウェアソリューションが一般ユーザーに提供できるものはほとんどありません。ダイアル博士は、IBMのクラウドサービスを通じて、誰でも、本当に誰でも、同社の量子技術を利用できるようになったとすぐに指摘しました。
量子コンピューティングには、量子の専門家でない人がこれらのシステムを操作できるようにするための高度な抽象化の取り組みが必要です。IBM は、ユーザーがそれを簡単に行えるように Quiskit Runtime ソフトウェアにも力を入れています。実行時間と精度のトレードオフは、ソフトウェアの設定を変更するだけで簡単に行えます。
2022 年を通じてドライバー、Quiskit ランタイム、およびパラメーター化された回路の改善により、IBM は 1,400 CLOPS のスコアをなんとか 15,000 CLOPS 程度まで引き上げることができました。AMD の GPU におけるドライバーベースのパフォーマンス改善が「高級ワイン」という称号を得たのであれば、この 11 倍近いパフォーマンス向上をどのような比喩で表現するのが適切か疑問に思います。
ハードウェアの改良は、あらゆる新しい技術システムの開発において不可欠な要素ですが、残りの半分は、そのハードウェアを実際に活用することです。IBMはQuantum Summitにおいて、2024年までに100量子ビット×100ゲートの演算深度をユーザーに提供することを目指す「100x100 Challenge」を発表しました。IBMは、次世代のモジュール型量子アーキテクチャであるHeronを活用することで、「何がここに当てはまるのか？」という問いかけをユーザーに投げかけようとしています。つまり、これらの制約の中で、どのような量子計算問題を処理できるのか？ということです。
量子コンピューティングに関する私たちの知識の限りでは、このチャレンジから何か本当に特別なものが生まれる可能性は十分にあります。人類が量子コンピューティングで問題を解決し始めたときに大きな進歩が得られるかどうかは問題ではありません。問題は、どのように、そしていつそれが実現するかという点だけです。そして、このチャレンジはIBMにとって、その議論を継続させる確実な手段となります。結局のところ、これは同社がQuantum Summit 2022で重視している点の一つです。
IBMフェロー兼IBM Quantum担当副社長のジェイ・ガンベッタは次のように述べています。「IBM Quantum Summit 2022は、量子ロードマップの進展に伴い、世界の量子コンピューティング分野の進化において極めて重要な節目となります。量子システムの規模拡大と使いやすさの向上に継続的に取り組むことで、量子産業の採用と成長が続くでしょう。私たちのブレークスルーは、量子における次の波を定義づけるものであり、私たちはこれを量子中心のスーパーコンピューティングと呼んでいます。この分野では、モジュール性、通信、ミドルウェアが、計算能力のスケーリング向上と、量子ワークフローと従来のワークフローの統合に貢献します。」
これらの発言とIBMの量子開発のスピード（そしてロードマップによれば完璧な実行力）を背景に、同社の超伝導量子ビットへの賭けは成果を上げているようだ。IBMが示したように、127量子ビットのEagleから433量子ビットのOspreyへの飛躍を可能にした量子ビット密度とコヒーレンス時間の向上以外にも、同社の量子システムの最適化にはまだまだ多くの可能性が残されている。
Ospreyはすでに飛行していますが、IBMは量子の未来を見据えることを決してやめませんでした。そしてそれは、2023年に登場する1,121量子ビットのCondorでも継続されます。
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。
