IBMの量子優位性：70個の論理量子ビット、74個の量子ビットからなるフロケダイナミクス、そして信頼フレームワーク

IBMと3つの研究パートナー、シカゴ大学、Algorithmiq、Qedmaは、量子コンピューティングの優位性を主張する上での共通の障壁、すなわち、従来のシステムでは直接再現できない結果に対する信頼性を確立することに焦点を当てた、個別の量子コンピューティング研究を発表した。

この研究は、符号化された論理回路、量子物質シミュレーション、およびエラー軽減型多体物理学に及ぶ。いずれの場合も、IBM Quantum Heronプロセッサを使用してワークロードを実行したが、参加チームは、その実行結果が従来の主要なシミュレーション手法の実用的な能力を上回ったと報告している。これらの研究および基礎となる結果は、継続的なベンチマークのためにIBMのQuantum Advantage Trackerを通じて公開されている。

シカゴ大学との共同研究により、ランダム回路サンプリングに代わる構造化された手法が実証された。ランダム回路サンプリングは、量子優位性の一般的なベンチマークだが、回路の複雑さが増すにつれて検証が困難になる。IBMが「ドープド・クリフォード・サンプリング」と呼ぶこの手法は、クリフォード回路を時空コードに埋め込み、そこに非クリフォードTゲートを戦略的に追加することで、計算を古典的に困難にしながら、実行中にエラーを検出するために必要なシンドロームチェックを維持する。この論文のタイトルは「検証可能な高忠実度で困難な回路をサンプリングする」である。

この実験では、70個の論理量子ビットが使用され、2,415個の論理2量子ビット演算と468個の論理Tゲートが実行されました。これらはどちらも回路の複雑さの指標です。IBMと大学は、実効論理エラー率が基礎となる物理エラー率の約10分の1以下であったと報告しており、これがゲート数が多いにもかかわらず高い回路忠実​​度を実現できた理由です。量子計算は約15分で完了しましたが、研究者らは、従来の古典的なシミュレーション手法では実行時間が膨大になると述べていました。IBMはこれを世界最大規模の既知のエラー訂正デモンストレーションの1つと位置付けており、この結果は、古典を超えるワークロードと実行忠実度の統計的な下限を組み合わせたものであるため重要です。

「私たちは今、量子優位の時代にしっかりと突入しました」と、IBMリサーチ所長兼IBMフェローのジェイ・ガンベッタ氏は述べています。「私たちは、従来のコンピュータでは実現不可能な量子計算を実証し、その実行精度の下限を統計的に確証しました。この画期的な成果は、科学者、開発者、そして企業にとって、量子コンピュータが従来のコンピュータでは到底達成できないような問題に対応していく上で、新たな信頼の基盤となるでしょう。」

Algorithmiqの研究では、IBM Quantum Heronプロセッサを使用して、不均一な量子材料をシミュレートしました。これは、局所的な特性、界面、および調整可能な微視的結合を持つシステムを表現するために構築されたモデルです。これらの効果は、触媒やバッテリーの電解質などの材料にとって重要です。これらの材料では、局所的な無秩序がエネルギー、粒子、および情報の動きを変化させます。研究チームは、このようなシステムを通して情報がどのように伝播するかを追跡する量であるロシュミットエコー演算子を推定する量子アルゴリズムを開発し、56個の量子ビットで実行しました。

このワークロードは8か月前にQuantum Advantage Trackerを通じて初めて公開されましたが、IBMとAlgorithmiqによると、それ以来、古典的な手法では問題領域全体にわたって結果を確実に再現できていません。少なくとも3つの主要な古典シミュレーショングループの手法は、互いに矛盾し、量子結果とも矛盾する予測を生成しました。チームは、入手不可能な正確な答えに頼るのではなく、制御されたノイズ注入、修正されたゲートキャリブレーション、およびデバイスノイズモデリングを適用し、IBMが実質的に異なるノイズプロファイルを持つ5つの量子コンピュータと表現する環境で実行し、ノイズ条件が変化しても量子結果が安定しているかどうかをテストしました。

Algorithmiq社は、同社の古典的な分子基底状態シミュレーション手法に基づいたベンチマークパッケージであるmonopropもリリースした。このソフトウェアは、外部の研究者が将来の量子優位性に関する主張を、既存の古典的な手法と比較して検証できるようにすることを目的としている。

「IBMとの今回の共同研究は、リチャード・ファインマンが1982年に初めて提唱したアイデアを実現したものです」と、Algorithmiqの共同創業者兼CTOであるマッテオ・ロッシは述べています。「同じ物理学に基づいて構築されたデジタル量子プロセッサを用いて量子物質をシミュレートすることで、研究者に対し、調整可能で物理的に興味深いモデルを提供し、古典的な方法で反証を試みるすべての人に公開することができます。これは非常に厳しいテストケースであり、8ヶ月以上にわたって公然とした挑戦に耐えてきました。」

Qedma、IBM、理化学研究所、BlueQubitは、IBM Quantum Heronハードウェア上でQedmaの量子エラー抑制・エラー軽減（QESEM）ソフトウェアを用いて、物理学者が物質の磁気特性が周期的な外部駆動下でどのように変化するかを研究するために用いる2次元フロケイジング系における長寿命量子ダイナミクスをモデル化した3つ目の研究を発表した。Qedmaは、市販のハードウェアとソフトウェアを用いて量子優位性を実現したのは今回が初めてであり、HeronシステムとQESEMはどちらもクラウド上で利用可能だと主張している。各社は、超高速光エレクトロニクスや光誘起超伝導体への応用を期待している。

IBM Quantum 133 量子ビット HERON

研究チームは、最大74量子ビットのシミュレーション結果を報告した。そして、理化学研究所のスーパーコンピュータ「富岳」での実行結果やBlueQubitによるシミュレーション結果など、いくつかの古典的な手法と比較した。テストした最大規模では、古典的な手法は一貫して一致しなかったのに対し、エラーを軽減した量子シミュレーション結果は持続的な振動挙動を示した。

Qedmaの検証プロセスでは、まずバイアスのない誤差軽減手法と古典的な計算を比較し、後者の信頼性を確認しました。次に、研究者らは、検証済みの結果に基づいて、より拡張性の高い軽減手法のベンチマークを行い、ワークロードを大規模システムや長時間の実行へと拡張しました。また、この研究では、Quantinuumトラップイオンシステムを含む個別の量子ハードウェア上での動作も評価し、シミュレーションされた物理現象とデバイス固有のアーティファクトを区別するのに役立てました。

これら3つの研究を総合すると、量子優位性に関する議論は、実行時間の比較だけにとどまらないものへと発展している。これらの研究は、再現性、エラー特性評価、クロスプラットフォーム検証、オープンベンチマークに焦点を当てており、量子システムが古典的なシミュレーションの限界を超える科学計算ワークロードに対する信頼できるツールとして扱われるためには、これらすべてが必要となるだろう。