量子を中心としたスーパーコンピューティングとは

量子中心スーパーコンピューターは、量子コンピューターと古典的なスーパーコンピューターを新世代の手法で接続したもので、誤り軽減と誤り訂正アルゴリズムを使用し、実用的なランタイムで成果を出すものです。

量子コンピューティングの時代において、量子中心のスーパーコンピューティングは、材料科学、機械学習、生成AI、高エネルギー物理学などの分野で、研究者が大きな進歩を遂げるのに役立つと予測されています。

量子中心のスーパーコンピューターが完全に実現すれば、高度なミドルウェアを使用して、量子回路と古典的なコンピューティングリソースを統合します。IBM Quantum System Twoアーキテクチャーを基盤とする量子中心スーパーコンピュータは、量子中心スーパーコンピューティングに欠かせない部品であり、量子テクノロジーと従来のスーパーコンピュータを組み合わせることで、両要素の性能を補完して向上させます。

1994年、MITの数学者Peter Shorは、仮説上の量子コンピューターを使用して、最高の従来アルゴリズムに比べて指数関数的に速く大きな数を素因数に分解できるアルゴリズムを発見しました。その2年後、Lov Groverが従来の検索アルゴリズムよりも高速にデータベースを検索できる量子アルゴリズムを発見しました。これらの発見により、量子コンピューティングへの関心は大幅に高まりました。

ShorとGroverは、少なくとも理論的には、有用な量子コンピューターが特定の複雑なワークロードを従来の方法よりも速く、何十万年分も速く処理できることを証明しました。著名なデータセンターで使用されているような世界最先端のスーパーコンピューターでさえ、大規模な量子ワークフローを十分な速度で処理することはまったくできません。

IBM Quantum Heronのような量子プロセッサーは、もはや理論上のものではなく、量子コンピューティングの実現可能性を証明しました。しかし、現在の量子コンピューターは、処理できる量子ビットの数や量子ハードウェアに生来備わっているエラーなどの障壁による制約を受けています。

量子中心スーパーコンピューティングは、量子ビットの固有の特性を利用することで、量子コンピューティングと古典的なコンピューティングの長所を組み合わせ、古典的なシステムでは実行不可能な計算を行います。このアプローチは、既存のワークフローに量子コンピューターを導入することで、古典的な高性能コンピューティング（HPC）の限界を克服し、両方のタイプのシステムの計算効率と機能を向上させることを目指しています。

HPCと量子中心スーパーコンピューティングの主な違いは以下のとおりです。

従来のHPC：

• 古典的なコンピューター・アーキテクチャーを基盤とする
• バイナリ処理と線形拡張性による制約を受ける

量子中心のスーパーコンピューティング：

• 量子コンピューターを搭載し、並列化されたワークロードで量子リソースと古典的リソースを使用する
• 同じデータセンター、またはクラウド内の量子コンピュータとHPCのコンピューティング・クラスター間の作業オーケストレーションに最適化
• 特定の問題に対して、量子コンピューティングや古典コンピューティングが提供できる以上の指数関数的な高速化と処理能力を提供

実験的な量子コンピューティングが急速な進歩を続ける中、私たちは、量子中心スーパーコンピューティングが量子優位性を達成するための極めて重要な架け橋になると予測しています。量子優位性とは、量子システムをシミュレートする古典的ハードウェアや、その他実践的な問題を解決するための古典的手法を量子マシンが凌駕するかどうかを、研究者が測定するためのマイルストーンです。とはいえ、量子コンピューティングが古典的コンピューティングに完全に取って代わるとは見込まれていません。代わりに、量子中心スーパーコンピューターは量子コンピューターと古典コンピューターを組み合わせて、それぞれのタイプのシステムが連携して、どちらか一方だけでは不可能な計算を実行します。

世界的には、ドイツのジュピター、日本の富岳、ポーランドのPSNCなど、複数のスーパーコンピューター施設で量子コンピューティング用ハードウェアの導入がすでに始まっています。IBM QUANTUM ロードマップの一環として、IBM は 2033年までに数千の論理量子ビットを備えた量子中心スーパーコンピューターの構築を目指しています。

従来のコンピューターとは異なり、量子コンピューターは量子物理学の基本的な性質を利用して複雑な問題を解決する能力を秘めています。量子コンピューターの4つの重要な原則は次のとおりです。

• 重ね合わせ： 重ね合わせとは、量子粒子や量子システムが1つの可能性だけでなく、複数の可能性の組み合わせを表すことができる状態のことです。
• もつれ： もつれとは、複数の量子粒子が通常の確率が許容する以上に強く相関するプロセスのことです。
• デコヒーレンス： デコヒーレンスとは、量子粒子や量子システムが減衰、崩壊、変化し、古典物理学で測定可能な単一状態に変換するプロセスのことです。
• 干渉： 干渉とは、もつれた量子の状態が相互に作用し、確率が高くなったり低くなったりする現象です。

古典的なコンピューターはバイナリ・ビット（0と1）を使用してデータを保管および処理しますが、量子コンピューターは量子ビット（キュービット）を重ね合わせて使用することで、さらに多くのデータを一度にエンコードできます。

量子ビットは従来のビットと同様に動作し、0または1のいずれかの値を保管できますが、その力は重ね合わせ、つまり0と1の重みづけされた組み合わせを同時に保管する能力にあります。組み合わせると、重ね合わせのある量子ビットのセットは、同じビット数よりも多くの情報を保存できます。ただし、各量子ビットは計算終了時に1ビットの情報しか出力できません。量子アルゴリズムは、古典的なコンピューターではアクセスできない方法で情報を保管および操作することで機能し、特定の問題の解決を高速化できます。

量子ビットの制御には、干渉に敏感な脆弱なハードウェアが必要であり、極低温に保つ必要があります。量子研究者は、極低温冷却を使用して、量子ビットを宇宙空間よりも低い温度に保ちます。

現在の量子ハードウェアは高価で、大規模で、エラーが発生しやすいものです。研究者たちは日々、より大規模な量子コンピューターを構築する課題に取り組んでいますが、量子コンピューティングは従来のコンピューティングをすぐに、あるいは今後も完全に置き換えることは期待されていません。量子コンピューティングは特定の複雑な問題にもっとも適しているからです。

量子コンピューターは、従来のスーパーコンピューターでは数十万年かかると思われるシミュレーションの問題を、数分で解決できる可能性があります。量子優位性として知られるこの性能の高速化は、まだ理論的にしか証明されていません。しかし、IBM QUANTUMの量子コンピューターは、従来のブルートフォースシミュレーションを超える規模で問題を解決できる量子ユーティリティーをすでに実証しています。

量子コンピューティングは、亜原子粒子がマクロレベルの物理学とどのように異なる振る舞いをするかを説明する量子力学の原理に基づいて構築されています。しかし量子力学は私たちの宇宙全体の基礎法則を規定するため、原子より小さいレベルでは、すべてのシステムが量子システムです。

このため、従来のコンピューターも量子システム上に構築されていますが、計算中に量子力学的特性を最大限に活用できていないと言えます。量子コンピューターは量子力学を活用して、高性能コンピューターでも不可能な計算を実行します。

古典的な計算モデルでは、2進数の文字列（ビット）を使って、すべての情報を0と1からなる2進数のコードに還元します。AND、OR、NO、NANDのような一連の単純な論理ゲートを使えば、その情報を処理して高度な計算の実行が可能です。しかし、それぞれの論理ゲートは一度に1ビットか2ビットしか処理できません。古典コンピュータの「状態」は、そのすべてのビットの状態に基づいて決定されます。古典的なコンピューターは、トランジスターと半導体を使用して2進情報を保存し処理します。

量子コンピューターは、量子処理ユニット（QPU）と呼ばれる特別な種類の量子ハードウェアを使用し、異なる方法でデータを保管・処理します。古典的なコンピューターはトランジスタを使用して情報のビットを保管しますが、量子コンピューターは通常は量子粒子（物理宇宙の既知の最小構成要素のように振舞う粒子）で構成される量子ビットを使用します。従来のビットとは異なり、量子ビットは2つ以上の情報の状態を保持します。

デジタルコンピューターが取ることのできる状態は1つだけですが、量子コンピュータの量子ビットは計算中、一度に多くの論理状態を取ることができます。この現象は重ね合わせとして知られています。つまり、確率的に0、1、その間のすべての位置を表す3つの位置です。計算終了時に、各量子ビットは重ね合わせへの寄与に対応する確率を持つ0または1の値を仮定します。

異なるタイプの量子ビットは、異なるユースケースやシステムに適しています。IBMは、速度と正確な制御に適した超電導量子ビットを使用しています。光子（個々の光の粒子）から作られた量子ビットは、量子通信や量子暗号でよく使用されます。他の種類の量子ビットには、トラップされたイオン、中性原子、量子ドットとして知られる小さな半導体によって保持される単一の電子などがあります。

量子中心スーパーコンピューターの中核は量子処理ユニット（QPU）です。IBMのQPUには、アウトプットとインプットの回路となるハードウェアと、超電導回路を刻んだ多層半導体チップが含まれています。計算の実行に使用する量子ビットと、その量子ビットに対してオペレーションを実行するゲートを含む回路です。回路は、量子ビット層、読み取り用の共振器層、およびインプットとアウトプット用の複数の配線層に分割されます。QPUには、相互接続、増幅器、信号フィルターのコンポーネントも含まれています。

IBMが使用している物理的な量子ビットは、ジョセフソン接合と呼ばれるコンポーネントに配線された超伝導コンデンサーでできており、損失のない非線形インダクターのように動作します。超伝導の性質上、ジョセフソン接合に流れる電流は特定の値しかとることができません。ジョセフソン接合はまた、特定の値の間隔を空けることから、そのうちの2つの値にしかアクセスできません。

次に、量子ビットは電流の最小2つの値にエンコードされ、0と1（または0と1の両方の重ね合わせ）となります。プログラマーは量子ビットの状態を変更し、一般にゲートとして知られる量子命令と合わせて量子ビットを結合します。これらは、特別に作られた一連のマイクロ波波形となります。

量子ビットを必要な温度で動作させ続けるために、QPUコンポーネントの一部は蒸留冷蔵庫内に設置し、液体ヘラムを使用して低温を保つ必要があります。その他のQPUコンポーネントには、常温の古典的コンピューティング・ハードウェアが必要です。その後、QPUはランタイム・インフラストラクチャーに接続されます。エラーの軽減と成果の処理もランタイム・インフラストラクチャーで実行します。これが量子コンピューターです。

量子システムと古典的システムの統合は、両者の間のシームレスなインタラクションを促進するミドルウェアとハイブリッドクラウドソリューションによって達成されています。このハイブリッドなアプローチによって、既存のフレームワークに接続された量子コンピューター内で量子処理ユニットを効果的に使用できるようになり、現在のインフラストラクチャーを全面的に見直さなくとも最大限の効果を引き出すことができます。

近年の進歩にもかかわらず、量子ビットの制御は大きな課題となっています。外部ノイズや制御信号間のクロストークは、量子ビットの脆弱な量子特性を破壊してしまうことから、これらのノイズ源の制御が、有用な量子中心スーパーコンピューターの開発を進める鍵となっています。

ハードウェアの改良と並行して、研究者たちは、システムノイズがプログラムアウトプットをどのように変化させるかを分析する誤り軽減アルゴリズムを使用することで、ある程度のノイズに対処できることを実証してきました。研究者はこの情報を使用してノイズ・モデルを作成し、古典的コンピューティングを使用して、モデルの予測に基づいてノイズのない成果をリバース・エンジニアリングします。量子誤り軽減は、今日の量子ハードウェアから、未来の耐障害性の高い量子コンピューターを導く継続的な道筋の一部となっています。

次の動画では、IBM Quantumの研究者であるAndrew EddinsとYoungseok Kimが、短期的に有用な量子コンピューティングを実現する上で誤り軽減が果たす重要な役割について説明しています。

計算後にノイズ修正の後処理を行う誤り軽減とは異なり、量子誤り訂正は、最初に特定のノイズ・モデルを作成する必要がなく、処理中にリアルタイムでノイズを除去できます。誤り軽減はある程度有効ですが、規模が限られます。量子回路の複雑さが増した場合であっても、大規模なシステムでの誤り訂正の効果は維持されます。

量子誤り訂正には、回路内の量子ビットやゲートの数など、大量のリソースが必要です。コンピューティングに使用する量子ビットが多いほど、誤り訂正に必要な量子ビットも大きく増えます。より良いハードウェアとより優れた誤り訂正コードが、誤り訂正を実現に近づけています。今年の初め、IBMは、近い将来の量子コンピューターに実装できると考えられる新しい種類の誤り訂正メモリーを発表しました。

サーキット・ニッティングとは、1つの量子コンピューティング問題を複数の問題に分解し、異なる量子プロセッサー上で並列的に実行する手法です。量子コンピューターと古典的コンピューターが、個々の回路の成果を正確に組み合わせて、決定的な成果を導き出します。量子研究者は、サーキット・ニッティングによって古典的コンピューティングと量子処理を組み合わせることで、量子回路をより効率的に実行できるようになります。

一般的に量子コンピューターというと、多くの場合、数百万の物理量子ビットを使用する単一のQPUでプログラムを独立して実行するというイメージがあります。「そうではなく、私たちは分散した古典的コンピューターと並列に量子回路を実行する、複数のQPUを組み込んだコンピューターを構想しています」Quantum担当副社長、IBMフェローのJay Gambettaはそう書いています。もう1つの手法は、計算の大部分を古典的コンピューティングに頼り、量子プロセッサーのために可能な限り多くの量子を節約するものです。

量子コンピュータで問題を解決するのに十分なスケールに到達するには、誤り訂正に加え、より大きな量子コンピュータ、あるいは複数の量子コンピュータを接続する必要があります。IBMは、量子ワークロードを実行するためのIBMのフルスタック量子コンピューティング・ソフトウェアであるQiskitに加えて、正確な回路網とコンピューティング・リソースの動的プロビジョニングを管理するためのミドルウェアも開発しています。

量子コンピューターは特定の複雑な問題の解決に優れており、大規模なデータ・セットの処理を高速化できる可能性があります。新薬の開発からサプライチェーンの最適化、材料科学や気候変動の課題に至るまで、量子コンピューティングはいくつかの重要な産業における画期的な進歩の鍵を握っているかもしれません。

• 製薬：分子の挙動や生化学反応をシミュレートできる量子コンピューターは、命を救う新薬や治療法の研究開発を大幅にスピードアップできる可能性があります。

• 化学：量子コンピューターが医学研究に影響を与えるのと同じ理由から、危険な、あるいは破壊的な化学副産物を軽減する未発見の溶剤を提供できる可能性があります。量子コンピューティングは、石油化学製品の代替を可能にする触媒の改良や、気候を脅かす排出物の抑制に必要な炭素分解プロセスの改善を導く可能性があります。

• 機械学習： 人工知能（AI） や機械学習などの関連分野への関心と投資が高まるにつれ、研究者たちは、一部の量子アルゴリズムがデータセットを新しい方法で処理し、機械学習の問題の一部を高速化できる可能性を追求しています。

現在存在する量子コンピューターは科学研究用のツールであり、少なくとも特定の量子系をシミュレートする場合に、古典的なシミュレーションの総当たり能力を超えて特定のプログラムを実行するのに役立ちます。しかし、量子コンピューティングは当面の間、現代および将来の古典的なスーパーコンピューティングと連動する形で役立てられるでしょう。量子研究者たちはこれに応えて、古典的なスーパーコンピューターが量子回路を使用して問題を解決できる世界の準備を進めています。

量子中心スーパーコンピューティングが直面する主要な課題には、古典的コンピューターと量子コンピューターの通信を可能にするミドルウェアの成熟や、量子コンピューター自体が直面する一般的な課題が含まれます。量子優位性を実現する前に、開発者は以下に挙げる克服すべき主な障壁を特定しています。

量子コンピュータを完全に実現するには、数百万個の物理的量子ビットが必要です。しかし現実的なハードウェアの制約により、単独のチップをこのレベルまで拡張することはほとんど不可能です。その解決策として、IBMは複数のチップ間で量子情報をシフトできる次世代の相互接続方式を開発しています。このソリューションは、誤り訂正の実行に必要な量子ビットに到達するためのモジュール拡張性を実現するものです。IBMは、それぞれFlamingoとCrossbillと呼ばれる概念実証用チップで、 l-カップルおよびm-カップラーと呼ばれるこれらの新しい相互接続を実証する計画を立てています。これらのカップラーはチップを拡張する役割を担います。さらに、IBMは2026年末までに、Kookaburraと呼ばれるチップでc-カップラーの実証を行う予定です。これらは誤り訂正を支援する役割を担うものです。

量子コンピューティングで使用される量子ビットに依存する量子プロセッサーは、ビットベースのプロセッサーの性能を大幅に上回る可能性がありますが、現在の量子プロセッサーがサポートできる潜在的な量子ビットはごく少数です。研究が進むにつれて、IBMは、2033年までに10億個のゲートを実行できる2,000個の論理量子ビットを目標に、2029年までに1億個の量子ゲートを実行できる200個の論理量子ビットを持つ量子システムを導入する予定です。

強力な反面、量子ビットはエラーを起こしやすいため、宇宙空間よりも低い温度を作り出すことができる大規模な冷却システムが必要です。研究者たちは現在、フットプリント、コスト、エネルギー使用量を削減するために、量子ビット、エレクトロニクス、インフラストラクチャー、ソフトウェアを拡張する方法を開発しています。

量子ビットのコヒーレンスは短いものですが、正確な量子データを生成するために不可欠なものです。量子ビットが正しく機能せず、不正確な結果を生み出すデコヒーレンスは、あらゆる量子システムにとって大きなハードルです。量子誤り訂正では、量子情報を通常よりも多くの量子ビットにエンコードする必要があります。2024年、IBMは従来の方法よりも約10倍効率の高い画期的な新しい誤り訂正コードを発表しました。誤り訂正の問題はまだ解決されてはいませんが、この新しいコードは、10億以上の論理ゲートを持つ量子回路の実行に向けた明確な道筋を示しています。

量子優位性には2つの構成要素が必要です。1つ目は実行可能な量子回路、2つ目はそれらの量子回路が実際に他の最先端の方法よりも量子問題を解決する最良の方法であることを実証する手段です。量子アルゴリズムの発見は、現在の量子テクノロジーを量子の実用性から量子優位性へと導くものです。

量子アルゴリズム発見の核心は、量子プログラムを書き、最適化し、実行するための高性能で安定したソフトウェアスタックに依存しています。IBMのQiskitは、現在のところ世界で最も広く使用されている量子ソフトウェアです。Pythonベースで、オープンソースSDKとそれをサポートするツールおよびサービスで構成されており、IBMの超電導量子コンピューターと、磁場にトラップされたイオンや量子アニーリングなどの代替テクノロジーを使用するシステム双方での実行に役立つものです。