Googleが量子プロジェクトを発表！世界を変えるプロセッサー『Willow』
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私たちの最良の推定によると、Willowが5分未満で行う計算は、最速のスーパーコンピューターでは10の25乗年かかるでしょう。これは宇宙の年齢をはるかに超える時間です。
みなさん、こんにちは。今日は革命についてお話ししましょう。毎週のように売り込まれるマーケティング的な革命ではなく、人類の最大の課題に取り組む方法を変える可能性のある、真の技術革命についてです。
数十年前から科学者たちは、量子物理学の不思議な法則を利用して現在のマシンでは不可能な計算を実行するという、少し奇妙な約束である量子コンピューティングについて語ってきました。長い間、それは科学フィクションのようでしたが、徐々に進歩が積み重ねられてきました。2019年、Googleはすでにスカモア（Sycamore）チップで話題を呼びました。このチップは特定のタスクで初めて従来のスーパーコンピューターを上回ることに成功し、これは「量子超越性」と呼ばれる歴史的な瞬間でした。確かに画期的でしたが、具体的な応用はまだ非常に限られていました。
今日、Willowで私たちは決定的な一歩を踏み出しました。なぜそうなのか理解するために、例え話をさせてください。強い風の吹く部屋でカードの城を建てようとするようなものです。これまでの量子コンピューティングはそのようなものでした。量子ビット（キュービット）は非常に脆弱で、数マイクロ秒で情報を失ってしまいました。まるで完成する前に城が崩れてしまうようなものでした。
GoogleがWillowで成功したのは、部屋を安定させるような方法を見つけたようなものです。キュービットが情報を保持する時間を5倍に増やし、20マイクロ秒から100マイクロ秒になりました。私たちの尺度では微小に思えるかもしれませんが、量子の世界では巨大な進歩です。その結果は驚くべきものです。
具体的な例を挙げると、Willowが5分未満で実行できる計算は、世界最強のスーパーコンピューターでも、なんと10の25乗年かかるのです。これを理解するために、宇宙の年齢はわずか138億年であることを考えてみてください。つまり、宇宙の年齢よりも長い時間を要する計算なのです。
しかし、これらの目が眩むような数字を超えて、Willowを本当に革命的にしているのは、ついに量子エラー訂正の臨界閾値を超えたことです。これは技術的な概念ですが、極めて重要です。初めて、量子計算で自然に発生するエラーを効果的に訂正できるようになったことを意味します。まるで量子のタイプミスに対する自動修正機能を手に入れたようなものです。
この進歩により、重要な分野での具体的な応用への道が開かれました。新薬開発のために分子の挙動を完璧にシミュレートしたり、より良いバッテリーや効率的な太陽光パネルを開発するために化学反応がどのように機能するかを正確に理解したり、核融合を制御したりすることが可能になるかもしれません。
これから見ていただく動画で、Google Quantum AIのハードウェア部門ディレクターであるJulian KellyがWillowの仕組みと、何が特別なのかを詳しく説明します。これは単により強力な新しいチップというだけでなく、これまで不可能と考えられていた問題を解決する鍵となる可能性を秘めています。
それでは、コンピューティングの未来、可能と不可能の境界がますます曖昧になっていく未来に飛び込んでいきましょう。
私たちの宇宙を支配するシステムは量子的です。解決すべき問題に応じて進化し、適応します。自然界のように、同時に幅広い可能性を探索します。量子コンピューティングは、それが動作する環境に適応し、明日の課題を解決するための新しい発見へと私たちを導きます。
私たちを取り巻く自然界のように学習し、進化するように設計された最新の量子コンピューターチップ、Google Quantum AIのWillowをご紹介します。
こんにちは、Google Quantum AIのハードウェア部門ディレクターのJulian Kellyです。今日は素晴らしいチームを代表して、Willowをご紹介できることを誇りに思います。Willowは、Googleの最新かつ最強力な超伝導量子コンピューターチップです。これは大規模な量子コンピューターの構築とその応用の探求に向けた重要な一歩です。
私は2008年にキュービットを初めて実験して以来、量子コンピューティングに魅了されてきました。2015年にGoogleに入社して以来、私の夢は私たちのミッションを実現することでした。私たちの目標は、これまで解決不可能だった問題を解決するための量子コンピューターを構築することです。
2017年に最初のFoxtailチップを立ち上げ、2018年にBristol Cohenが続き、そして2019年にはSycamoreで最初の大きな節目を迎えました。これは、ランダム回路サンプリングという計算タスクで、最高のクラシックスーパーコンピューターを初めて上回った量子コンピューターでした。
長年にわたり、Sycamoreで顕著な性能を達成し、2番目の節目として拡張可能な論理キュービットを実現しましたが、量子コヒーレンス時間、つまりキュービットが予定された状態を維持できる時間によって制限されていました。
Willowで私たちは大きな前進を遂げました。量子コヒーレンス時間をSycamoreの20マイクロ秒から100マイクロ秒へと5倍に増やし、これを私たちのシステムを成功に導いた特徴を犠牲にすることなく達成しました。
この進歩は、サンタバーバラにある世界でも数少ない超伝導量子チップ製造専用施設での新しい取り組みによって可能になりました。Willowでは有望な進展が見られ、すでにSycamoreの画期的なデモンストレーションを超えています。
私たちの論理キュービットは現在、量子エラー訂正の臨界閾値を下回って動作しています。これは1990年代に理論が発見されて以来、量子コンピューティング分野で長く追求されてきた目標でした。私たちはWillowで初めてこれを達成しました。
私たちの論理キュービットでは、エラーが指数関数的に抑制されています。物理キュービットを追加し、表面コードを距離3から5、そして7へと移行するたびに、エラー率が2分の1になります。さらに、私たちの論理キュービットの寿命は、それを構成するすべての物理キュービットの寿命をはるかに上回っています。
これは、量子チップのサイズと複雑さを増やしても、量子エラー訂正を使用して精度を向上させることができることを意味します。
ランダム回路サンプリングのベンチマークで、私たちは世界最強のスーパーコンピューターの1つとWillowを比較しました。結果は驚くべきものでした。私たちの最良の推定によると、Willowが5分未満で実行する計算は、最速のスーパーコンピューターでは10の25乗年かかり、これは宇宙の年齢をはるかに超える時間です。
この結果は、古典的な計算と量子計算の間で指数関数的に広がる差を示しています。Google Quantum AIで開発した私たちのハードウェアアプローチがこれを可能にしています。私たちの調整可能なキュービットとカップラーは、低エラー率を実現する超高速操作、ハードウェアのその場最適化と複数のアプリケーション実行のための再構成可能性、そしてアルゴリズムを効率的に表現するための高い接続性を可能にします。
私たちはこの調整能力を使用して、デバイス全体で高い性能と再現性を確保しています。超伝導キュービットの課題の1つは、その不均一性です。一部は異常に高いエラーを持つ特異なケースです。ここで私たちの調整可能なキュービットが真価を発揮します。これらの特異なキュービットを再構成して、デバイスの残りの部分のように機能するように修正できます。
さらに一歩進んで、研究者がソフトウェアを通じてすべてのキュービットのエラーを削減する新しい較正戦略を継続的に開発するために調整可能性を使用できるようにしています。
量子コンピューターの技術仕様をより詳しく見てみましょう。キュービットの数と接続性があり、これは各キュービットが隣接するキュービットと実行できる平均的な相互作用の数を表します。単一キュービットゲート、2キュービットゲート、および同時測定の実行に対するエラー確率を定量化します。コヒーレンス時間は各キュービットが情報を保持できる時間を測定し、測定レートは1秒あたりに実行できる計算の数を示します。
アプリケーションパフォーマンスはシステムの包括的なベンチマークです。Willowはこれらすべての側面で最適なバランスを達成しています。高い接続性を持つ多数のキュービットを備え、様々なアプリケーションを実行できます。複数のネイティブ2キュービットゲートでのすべての操作で低い平均エラー率を測定し、T1時間を大幅に増加させ、非常に高い測定レートを持ち、エラー訂正の閾値を下回っています。
Willowは、古典的なコンピューターで可能な範囲をはるかに超えてランダム回路サンプリングを実行します。Willowを使用して、大規模なエラー訂正量子コンピューターの構築に向けた道を進んでいます。これらは科学と自然探求の限界を押し広げ、製薬、バッテリー、エネルギー、核融合の分野で将来の有用な商業的応用を持つでしょう。私たちは明日の未解決の問題を解決することを楽しみにしています。
以上でWillowをご紹介しましたが、これは単なる少し強力な新しいチップというだけの話題作りではありません。理論的には、これは本当に量子コンピューティングの歴史における転換点です。
簡単に言えば、Googleは3つの驚くべきことを成功させました。まず、キュービットをずっと安定させました。20マイクロ秒ごとに崩れるカードの城はもう終わりです。次に、この有名な量子エラー訂正の閾値を超えました。つまり、計算が本当に信頼できるようになったのです。最後に、何か問題が発生したときにリアルタイムでチップを調整できます。走っている車を修理する整備士のようなものです。
発表された数字は完全に驚異的です。見てきたように、スーパーコンピューターが宇宙の年齢よりも長い時間をかけて計算することを5分でできるのです。夢のようですが、冷静さを保つ必要があります。現時点では、ランダム回路サンプリングという非常に特定の種類の計算についての実証に過ぎません。印象的ですが、私たちが皆夢見ている実用的なアプリケーションからはまだ遠い状態です。
実際、これが量子コンピューティングのパラドックスです。発表が派手であればあるほど、具体的な応用を見るには忍耐が必要になります。医薬品の創造、新しいバッテリーの開発、さらには核融合における革命的な進歩を約束されていますが、研究室で機能するチップと、これらの課題に対する実際のソリューションの間には、まだかなりの道のりがあります。
Willowで本当に勇気づけられるのは、数年前には乗り越えられないと思われていた技術的な障壁を乗り越えているということです。量子エラー訂正は、この分野の聖杯のようなものでした。小規模であっても、それを達成したことは既に大きな成果です。
量子コンピューティングは科学者たちの少し狂った夢でした。Willowで、私たちはその夢が形になり始めるのを見ています。日常的に使用できるにはまだ程遠いですが、まるで1950年代のクラシックコンピューティングのような段階です。基礎は整い、可能性は計り知れませんが、誰もが使えるような実用的なものにするにはまだ何年もの開発が必要です。
派手な発表に対しては慎重でいましょう。しかし、あの小さな興奮の火花も持ち続けましょう。なぜなら、Willowが約束することの半分でも実現すれば、私たちの時代の大きな科学的・技術的課題への取り組み方に新しい時代の幕開けとなる可能性があるからです。