より大規模で優れた量子コンピュータを構築するための世界的競争において、研究者たちは前進を遂げた。Heliosと呼ばれる新型機は、他の量子コンピュータとは根本的に異なるシステムだ。
量子コンピュータは、原子および亜原子スケールで物理法則を支配する量子力学の力を利用するものである。こうした機械の様々な設計方式の中で、Heliosはトラップイオン型量子コンピュータであり、電磁場を用いて自由空間中に浮遊させた荷電原子を利用する方式である。
98量子ビット(qubits)——量子コンピュータがデータ処理に用いる情報単位——で動作する。この量子ビット数は、これまでに構築された最大のトラップイオン型量子コンピュータであることを意味する。この装置を開発したQuantinuumは、英国ケンブリッジと米国コロラド州ブルームフィールドを拠点とする企業であり、2023年には32量子ビット、2025年には56量子ビットで動作する初期の機械を実証していた。
Heliosおよびその前身機は、量子情報の保存と処理のために別々の領域を持つアーキテクチャ(あるいは動作構造)を採用している。このアーキテクチャはQCCD(quantum charge-coupled device、量子電荷結合素子)と呼ばれ、2002年に考案されたものである。これは、記憶のためのメモリ(ハードディスクドライブ、ソリッドステートドライブ)と、別個のプロセッサ(CPU、GPU)を持つ古典コンピュータのアーキテクチャに類似している。
Heliosの具体的な幾何学的構造はロゼット(バラ飾り)に似ており、記憶用のリングと処理用の2本のストリーマーから成る。重要な要素は、これらが交わる四方向Xジャンクションである。QCCDは、荷電粒子(イオン)を記憶領域から処理領域へと電気的に物理輸送する。
処理はレーザーパルスを用いて行われる。このためには、量子アルゴリズムをイオン輸送と量子処理に分解する必要がある。これは、量子ビットが空間的に固定され、処理が時間的にオンオフ切り替えされる電気信号によって実行される超伝導量子ビットなど、他の量子コンピューティングアーキテクチャとは大きく異なる点である。
エラー訂正
初期のデジタルカメラの中核部品であった古典的な電荷結合素子は、現在Heliosで用いられている方式の原型である。これを量子計算に利用することには、主に3つの利点がある。
ゲートは量子回路の基本的な構成要素であり、量子ビットに対して操作を行う。QCCD方式の利点の一つは、特定の量子ビットに対する操作が隣接する量子ビットに影響を与えない点である。これにより「クロストーク」と呼ばれる現象が低減され、より高品質な性能につながる。
第二の利点は、計算の途中で量子ビットを測定し、リセットできる点である。これにより、計算中に避けられないエラーを可能な限り早い段階で検出・訂正でき、性能がさらに向上する。
最後に、処理後には(一定の制約内で)量子ビットをメモリの大きく離れた部分から呼び出したり、そこへ戻したりできるため、離れた量子ビット同士を接続することが可能になり、より効率的な動作が実現する。
Heliosはこれらすべての利点を実証した。これは、ハードウェアとソフトウェアそれぞれにおける2つの大きな進歩によって実現している。第一に、四方向Xジャンクションによって、システムは一度に一つずつではなく複数のタスクを同時に処理できるようになり、大幅な高速化が実現した。これは、単一の直線またはループ状にしかデータを移動できなかった従来のQCCDマシンでは不可能だったことである。
第二に、Xジャンクションが持つ2次元的な自由度を巧みに活用するために、Helios runtimeと呼ばれる新しい古典制御ソフトウェアが開発された。これは、データの移動と処理について最も効率的で高速な経路を計画するものである。
これらを合わせると、量子コンピュータの工学における大きな進歩を表している。重要な帰結として、Heliosは、既知の手法を用いる限り、最大規模のスーパーコンピュータでも現実的な時間と消費電力の範囲内では実行できない計算を行えるということが挙げられる。
計算能力
これは、この装置およびその後継機が、古典コンピュータの計算能力を凌駕する能力を持つことを示している——もっとも、古典コンピュータのアルゴリズムとハードウェアも急速に進歩を続けているが。
とはいえ、Heliosの計算はこれまでのところランダムなベンチマークテストにすぎず、この飛躍の実用的な重要性は依然として限定的である。科学や商業の分野において実用上重要な量子計算を実行するには、最も楽観的な見積もりであっても、量子コンピュータは現在よりも桁違いに大規模かつ高性能——おおよそ100万量子ビットのオーダー——になる必要があるとされている。
英国の国家量子戦略(UK National Quantum Strategy)のミッション1は、1兆回の演算を実行できる誤り耐性型量子コンピュータ(FTQC)の実現を目標として掲げている。参考までに、Heliosが実行した最長の計算は、98量子ビットに対して約4,000回の演算であった。
Helios、あるいはその他既知のいかなるアーキテクチャやシステムであっても、そこからFTQCを構築することは依然として大きな課題である。この数字が示すように、それぞれが数千の量子ビットを持つ数千台のQCCDデバイスを、量子リンクを介して接続する必要があると考えられる。
都市の街路網のような二次元グリッド構造を持ち、数千以上の量子ビットで動作可能なQCCDデバイスの構想は存在する。しかし、膨大な数のジャンクションと、それに伴う量子ビットの「渋滞」——交通渋滞に類似した現象——を伴うこうしたシステムを工学的に実現し運用するという避けられない課題は、まだ直面してすらおらず、ましてや克服されてもいない。イオンの物理的な輸送も非常に低速なプロセスであり、これは極めて精密な電圧制御を必要とすることに起因する。この課題は、装置が大規模化し量子ビット数が増えるにつれて、さらに深刻になるとみられる。
現時点では、Helios装置は量子コンピューティング分野における画期的な進歩である。将来のFTQCがどのような形をとるにせよ、そこには創造的に設計された量子ハードウェア装置と、それを支える高度なソフトウェアの両方が不可欠となるだろう。