Microsoftが量子コンピューティング分野で画期的な進展を遂げた。同社は、Quantinuumとの協力のもと、これまでで最大数となる12個の高信頼性論理量子ビットの実現に成功したと発表したのだ。この成果は、量子コンピューティングの実用化に向けた重要な一歩となる可能性がある画期的な物と言えるだろう。
進むMicrosoftの量子コンピューティング開発
Microsoftは、Azure Quantum compute platformを通じて、イオントラップハードウェア上で論理量子ビット計算のスケーリングに成功した。同社のStrategic Missions and Technologies担当エグゼクティブバイスプレジデントであるJason Zander氏は、「これらの結果は、Azure Quantum compute platform内でイオントラップハードウェア上の論理量子ビット計算をスケールさせるものです。さらに、スケーラブルな量子コンピューティングに向けた前進には、重要なハードウェアのマイルストーンを達成するだけでなく、これらの改善が実践的な実世界の課題に対処できることを証明する必要があります」と述べている。
この成果の核心は、物理量子ビットの信頼性の低さという量子コンピューティングの主要な課題に対処したことにある。現在のノイズのある中規模量子（NISQ）マシンの主な問題は、物理量子ビットがノイズの影響を受けやすく、エラーが発生しやすいため、実世界のアプリケーションには実用的ではないことだ。Microsoftは、複数の物理量子ビットを組み合わせてエラーを訂正し、一貫性を維持する論理量子ビットを作成することでこの問題に取り組んだ。
特筆すべきは、この新しいシステムが物理量子ビットと比較して22倍もの回路エラー率の改善を達成したことだ。これは、量子エラー訂正の分野における重要な前進を示している。Microsoftの技術フェローであるKrysta Svore氏は、「4月以降、ここでの論理量子ビット数を3倍に増やしました。100論理量子ビット能力に向けて加速しています」と述べ、この技術の急速な進歩を強調している。
量子ビットの仮想化とエラー訂正
Microsoftの最新の成果は、Quantinuumの56量子ビットH2量子コンピュータ上で実施された実験に基づいている。研究チームは、「Tesseract」コードと呼ばれる障害耐性スキームを採用した。このコードは、16の物理量子ビットを4次元（4D）超立方体構造に配置することで、論理エラーを効率的に訂正する。
具体的には、16の物理量子ビット内に4つの論理量子ビットをエンコードする方法を用いており、これは量子ビット効率とエラー訂正性能のバランスを取るものだ。研究論文によると、「Tesseractコードは、元の6つのエンコードされた量子ビットのうち2つを犠牲にし、障害耐性のエラー訂正と計算を簡素化します」と説明されている。
実験では、5ラウンドのエラー訂正を実施し、エンコードされていない回路と比較して論理エラー率を最大24倍も削減することに成功した。これにより、より複雑な計算とより深い量子回路が可能になる。研究者らは、「我々の障害耐性手順は、訂正不可能な状態が検出された試行を拒否し、少なくとも50%の受け入れ率を達成します」と説明している。
この技術の重要性について、Quantinuumの最高経営責任者であるRajeeb Hazra氏は次のように述べている。「私たちのシステムが、物理量子ビットを30から56に倍増させることなく、論理量子ビットの数を3倍に増やす能力を持つことは、私たちのH-Seriesのトラップドイオンハードウェアの高い忠実度とすべての量子ビット間の接続性の証です。現在のH2-1ハードウェアとMicrosoftの量子ビット仮想化システムの組み合わせにより、私たちと顧客は完全にレベル2の耐性のある量子コンピューティングに移行しています」。
実世界への応用可能性
Microsoftの今回の成果は、単なる技術的進歩にとどまらず、実世界の問題解決に向けた重要な一歩でもある。同社は、信頼性の高い論理量子ビットを使用して、クラウドベースの高性能コンピューティング（HPC）および人工知能（AI）と組み合わせた初のエンドツーエンド化学シミュレーションを実証した。このシミュレーションは、化学触媒の基底状態エネルギーを予測するもので、古典的なコンピュータでは計算の複雑さのために正確に実行することが不可能な課題だ。
Jason Zander氏は、「これは、量子技術がスケールアップするにつれてますます影響力を増す新世代のハイブリッドアプリケーションの幕開けに向けた重要な一歩を示すものです」と述べている。Microsoftは、量子コンピューティングをAIおよび古典的なコンピューティングと組み合わせることで、特に化学、物理学、生命科学の分野で科学的発見を加速させることを目指している。これらのハイブリッドシステムにより、より持続可能なエネルギーソリューションや新しい生命を救う治療法の開発など、古典的には扱いきれない問題に取り組むことが可能になる。
さらに、MicrosoftはAtom Computingとの新たな提携を発表し、中性原子を使用して量子ビットを保持する新世代の信頼性の高い量子ハードウェアを顧客に提供する計画を明らかにした。Atom ComputingのCEOであるBen Bloom氏は、「私たちはMicrosoftをパートナーとして、Atom Computingの量子機能を加速させることに興奮しています。この協力関係により、私たちは科学的な量子優位性に最初に到達し、スケールアップする独自のポジションにあると信じています」と述べている。
これらの進展は、量子コンピューティングが乳幼期から脱し、古典的なハードウェアでは実行が不可能または非現実的な計算を確実に実行できるシステムの開発に向けて急速に進化していることを示している。Microsoftの取り組みは、量子コンピューティングの実用化と、それによってもたらされる科学技術の革新的な進歩への期待を高めている。
論文
参考文献
- Microsoft:
研究の要旨
古典的シャドウ（CS）は、ランダムな測定と古典的な後処理に基づいて量子状態の多くの特性を推定する強力な方法として登場した。 本来の定式化では、一般的な状態と一般的な観測量に対して、最適な（あるいはそれに近い）サンプリング複雑度が保証されています。 しかし、基礎となる状態や観測量に関する先験的な知識があれば、サンプリングの必要性はさらに低くなると考えるのが自然である。 ここでは、そのような知識が、未知の状態や観測量の対称性の観点から提供される場合を考える。 対称シャドウの基準とガイドラインを提供する。 具体的な例として、順列不変性(PI)の場合に焦点を当て、いくつかのPI-CSのファミリーの構築について詳述する。 特に、PI量子トモグラフィの分野で得られた結果を基に、浅いPI-CSプロトコルを開発・研究する。 これらの対称CSの利点は、既存のCSプロトコルと比較して、性能が大幅に向上していることを示す。
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