- Google Quantum グループは Q2B に合わせて 105量子ビットの超伝導チップ Willow を公開し、表面符号ベースの誤り訂正量子ビットと、より大規模な Random Circuit Sampling 実験をあわせて発表した
- 科学的に最も大きな成果は、表面符号のサイズを 3×3→5×5→7×7 と拡大するほど、エンコードされた論理量子ビットの寿命が長くなった点であり、量子誤り訂正の重要な閾値を超えた結果と見なせる
- ただし Google がいう「本物の」耐故障性量子ビットには、誤り率が約 10^-6 の耐故障性 2量子ビットゲートが必要であり、今回の実験は単一のエンコード量子ビットの生成にとどまっている
- 新たな Random Circuit Sampling 実験は 105量子ビット・40層ゲート 規模で、現在知られている最良のシミュレーションアルゴリズムとエクサスケール級スーパーコンピュータを前提にすると、古典シミュレーションには約3億年、あるいはメモリ制約がある場合は約 10^25年 を要する
- 同じ理由から結果を古典コンピュータで直接検証することも難しく、今回の実験の説得力は、より小さな回路で確認した結果を大きな回路へ外挿する 間接検証 に依存している
Willow 発表と2019年以降の進展
- Google Quantum グループは新しい 105量子ビット超伝導チップ Willow を正式発表した
- 発表には誤り訂正された表面符号量子ビットの実証が含まれる
- Random Circuit Sampling に基づく、より大規模な量子超越性実験もあわせて公開された
- 今回の技術的進展は、Google が 2024年8月に arXiv で公開していた耐故障性関連のプレプリントと同じ基本成果にあたる
- 異なる点は、Willow という正式なチップ名、Nature 論文、追加の詳細、大規模な広報が付いたことだ
- 2019年の Google による当初の量子超越性発表以降、チップの量子ビット数はおおよそ2倍に増え、量子ビットの コヒーレンス時間 は5倍に伸びた
- 2量子ビットゲートの忠実度は、controlled-Z ゲートで約 99.7%、iswap ゲートで約 99.85% の水準である
- 2019年には約 99.5% だった
誤り訂正で超えた閾値
- 科学的に最も重要な結果は、表面符号のサイズを大きくするほど、エンコードされた論理量子ビットがより長く維持された点である
- 符号サイズは 3×3、5×5、7×7 へと増加した
- より大きなシステムが不安定になるのではなく、誤り訂正構造が実際に寿命を延ばす方向に機能した
- これは量子耐故障性における重要な 閾値 を超えた事例と解釈される
- 論理量子ビットを長時間保存し計算できる、スケーラブルな量子計算へ進むための条件の一つである
- Google の Sergio Boixo によれば、Google が「本物の」耐故障性量子ビットと見なすには、誤り率が約 10^-6 の耐故障性 2量子ビットゲートが必要だという
- これは1回の誤りが起きる前に、およそ100万回の耐故障性演算を実行できる水準である
- 今回の実験では 単一のエンコード量子ビット を作成したにとどまり、エンコード演算や複数のエンコード量子ビット間の演算は試みられていない
Random Circuit Sampling 実験の規模
- Google は Willow 上で Random Circuit Sampling に基づく新たな量子超越性実験も発表した
- 105量子ビットチップで 40層ゲート を使用した
- Google が見積もる古典シミュレーションのコストは、現在知られている最良のアルゴリズムとエクサスケール級スーパーコンピュータを基準としている
- メモリが問題でなければ約 3億年
- メモリが問題になるなら約 10^25年
- 比較のため、ビッグバン以降の経過時間は約 10^10年 である
- これらの数値は、現在知られているシミュレーションアルゴリズムを前提とすれば妥当に見える
- より優れた古典シミュレーション手法が見つかる可能性は残っている
- 同時に実験自体も急速に改善されうる
直接検証が難しい量子超越性
- 最大の注意点は、Random Circuit Sampling の結果の 直接検証 が、同じ理由で古典的には非常に難しいことだ
- 古典コンピュータが量子計算のシミュレーションに約 10^25年 かかるなら、出力の Linear Cross-Entropy スコアを直接計算して検証するにも約 10^25年 かかりうる
- そのため Willow の新たな量子超越性実験は 間接検証 に依拠している
- 古典コンピュータで確認可能な、より小さな回路で結果を検証する
- その結果をより大きな回路へ外挿する
- この外挿自体を疑う理由はないように思われるが、今回の事例は、効率的に検証可能な近未来の量子超越性実験がなぜ必要なのかを示している
- すでに直接検証が難しい領域へ深く入り込んでいるという判断である
多世界解釈論争と今回の実験の限界
- Google Quantum AI のリーダー Hartmut Neven は、量子コンピュータがエヴェレット流の多世界の実在性を受け入れさせるという、David Deutsch の1990年代の議論に言及した
- Willow 実験は、この長年の論争に新しい内容を付け加えるものではない
- 量子力学の予測をあらためて確認した事例である
- その予測が現実理解において何を意味するのかは、1920年代以来ずっと論争が続いている問題だ
量子ビットプラットフォーム間の競争構図
- Willow は Google と 超伝導量子ビット 方式にとって前向きな結果である
- ここ数年、trapped-ion や neutral-atom 方式が先行しているように見える成果を示し、Quantinuum や QuEra などが印象的な結果を出していた
- 競合各社も、符号サイズが大きくなるほど論理量子ビットの寿命が改善する結果を示す必要がある
- さらに進んで、postselection なしで閾値を超える論理量子ビット演算を実証しなければならない
- trapped-ion 量子ビットは量子ビットを移動でき、2量子ビットゲートの忠実度でも超伝導方式より先行しているように見える
- 超伝導量子ビットには、ゲートが約 1000倍速い という利点がある
懐疑論と外部の反応
- 量子コンピューティング懐疑論者の Gil Kalai は、Google Quantum AI の並外れた主張は慎重に扱うべきであり、方法論上の誤りの可能性があると見ている
- 彼の文章の大半は、Google の2019年量子超越性実験データの再分析に集中している
- 2019年の実験については、すでに今回の Google の新結果や他機関の Random Circuit Sampling 結果が続いているという反論がある
- IBM、Quantinuum、QuEra、USTC も良好な結果の Random Circuit Sampling 実験を報告している
- Sabine Hossenfelder の反応は、実際の事実関係では大きく異ならないものの、はるかに否定的なフレーミングに近いと評価される
- 誇張されたり不誠実に提示された量子コンピューティングの非成果を長年見てきた経験から、実際のマイルストーンを示し、明白な虚偽なしに語られた今回の結果については前向きに見ているという立場である
1件のコメント
Hacker News の意見
この記事を読むと、自分があまりに小さく感じられる。APIを使ってデータベースの行を更新するだけのソフトウェアエンジニアという仕事が、いま読んだ内容に比べると笑ってしまうほど幼稚に見える
これをなぜ理解しようと努力すべきなのかも想像しにくいし、完全に手の届かないものに見える。こういう機械に触れられるのは、ごく少数のエリートだけだ
論文を探して読み、抜けている部分をたくさん埋め、余暇を何年か投じれば、6か月後には今より6か月分だけ近づいている。理由があってもなくても、好奇心を持って取り組む価値はあるし、誰かが人生を一つのことに捧げれば、当然ほかのことには人生を捧げられないという点も忘れてはいけない。山に登ること、ピザを作ること、社交の場で機転の利いた返しをすることのように、あなたのほうが得意なこともある
そして会社で何をするはずだったかと考えて、ああそうだ、この10年くらいずっとやってきたようにコンポーネントを実装する仕事だった、となる。問題は、給料がよくてこなせる仕事という安楽地帯を手放さないまま、同時にどこかの分野の専門家に見えたり責任を背負ったりする道にも進みにくいことにある。ここでインポスター症候群と責任回避が顔を出し、本当に休暇が必要になる
昨日の午後と今朝を使って学べるだけ学び、いまでは量子コヒーレンス、重ね合わせ、位相関係について、本当に表面だけとはいえ分かるようになった。つまり、できる。これから線形代数を学ばないといけないので、ちょっと行ってくる
量子コンピューティングをもっと深く掘り下げたいなら、Scott Aaronsonの本『Quantum Computing since Democritus』を強く勧める。物理と数学の背景があっても、彼の文体は生き生きとして没入感があり、すでに知っていた内容も独特で圧縮された形で整理し直してくれる。たとえばカントールの対角線論法の説明や、量子力学は「負の確率」が実在することの自然な帰結だという主張は、個人的にもよく使ってきた優れた洞察だ
量子コンピューティングの境界を理解することも有用だ。結局われわれが目にすることになるのは、たとえば大きな数を素因数分解してくれるQaaS APIのようなものになる可能性が高い。Shorのアルゴリズムや実装の詳細を知らなくても、古典的手法より指数関数的に速く答えを受け取れるようになるだろう。デスクトップ量子コンピュータ、専用言語、その上で動く一般ユーザー向けソフトウェアは期待していない。もちろん、いつか誰かがその上でDoomを動かすだろうが、それは何十年も先の話だ
https://www.alibris.com/booksearch?mtype=B&keyword=quantum+c...
https://podcast.clearerthinking.org/episode/208/scott-aarons...
https://quantum.country
解いた問題は既存のコンピュータでは10^24年ほどかかるというが、量子研究者でなければ誰も気にしない問題だ
量子研究者でない人も関心を持つ問題を解いてみてほしい。巡回セールスマン問題のn=10でも、10桁の数の素因数分解でもいい。それまでは量子コンピュータは商業核融合と同じカテゴリだ。「ブレークスルー」はあふれているが、成果はゼロだ
がん研究と比べると違いがよく分かる。毎年出ていた「がんを治せるかもしれないブレークスルー！」という発表はほとんど消え、代わりに着実で実際的な進歩が続いている
信念とビジョンは、技術においても本当に精神的なものだ
「この分野の次の課題は、今日の量子チップ上で、実際の応用に関連する初の『有用で古典的限界を超える』計算を示すことだ」
より重要なのは、この実験の路線は、計算規模の拡大を破綻させる予想外の物理現象が生じるだろうという考えに反論するためのものだということだ。信頼できる人の中で、現在の実験が実用的な何かに役立つと主張している人はいない
完全な門外漢の立場からすると、なぜこのマイルストーンが、古典的には難しいが容易に検証できる問題ではないのか理解できない。量子コンピューティングは普通のコンピュータでは破れない暗号をとても簡単に破るだろう、という話をたくさん聞いてきたので、なおさら奇妙に感じる
Everett 型の多世界解釈を支持する論理、つまり「計算が並行宇宙に外注されたのでなければ、どこで起きたというのか」という主張は、論理的には見えない。
その並行宇宙も同じ計算を同時に回していて、したがって自分たちの計算の一部を私たちに「外注」しているのではないか？ だとすればゼロサムなのに、すべての宇宙全体でどうやって性能向上が生じるのか分からない。
量子コンピュータを実行すると「新しいタイムライン」が作られる。もちろん、何もしていない普通の原子でもそうだろうし、量子コンピュータで難しいのは、その分岐を一時的なものにすることだ。
そのため量子コンピュータは自分自身の複数のバージョンに分かれ、各バージョンで計算の一部を実行し、結果を合成する。これは MapReduce ではなく、合成できる方法は厳しく制限されており、古典的な観点からはどれも奇妙だ。
これを根拠に多世界解釈を擁護できる。合成された計算は、いずれにせよどこかで起きていなければならないからだ。計算が大きく、長く続くほど、コペンハーゲン解釈とはますます合わなくなる。厳密に言えばパイロット波理論とは矛盾しないが、パイロット波理論は多世界解釈に「ここにこのタイムラインが見えるだろう？ これが本物で、残りは偽物だ。そう、それらを実装するのに必要な計算はすべて起きているが、『実在』という属性がないだけだ」という宣言を付け加えたものだ。
ただし、そうなるとパイロット波理論は計算主義とは合わず、したがってマインドアップロードのような概念とも合わなくなる。もちろん、その結論を受け入れることもできる。
多元宇宙そのものに反対しているわけではないが、「チューリング式の計算が起き、それには並行宇宙が必要だった」と「私たちの住む宇宙で、直感に反し、十分に理解されていない何かが起きた」のどちらかを選べと言われたら、後者に賭ける。
少なくとも各可能性ごとに一つの宇宙があり、すべてのコードパスが計算されるように始まる。そこに、正しい結果が出たときにはるかに多くの宇宙を作り出すメカニズムを追加する。すると、誤った結果ごとに宇宙が1個あり、正しい結果にだけ 2^300 個の宇宙が生じる。これを実行すれば、99.99999% の確率で正しい結果を得られる。
この解釈を擁護したいわけではないが、多世界の観点では、こうしたことがどう可能かは容易に見える。事実上、誤り訂正は誤った答えより正しい答えにより多くの宇宙を作るためのメカニズムとなり、そのように全体が機能する。量子誤り訂正をこのように考えるのはかなり合理的だ。実際に観測される正しい答えを選好させるメカニズムであり、多世界では、より多くの正しい答えの宇宙を作るという意味になるからだ。
この論理は私には説得力がある。ただし、すでに結論を信じていたので、偏ってはいる。
「この量子計算を古典コンピュータがシミュレートするには約 10^25 年かかるのとまったく同じ理由で、量子コンピュータの結果を古典コンピュータが直接検証するにも約 10^25 年かかる」という部分が理解できない。
解くのには時間がかかるが、検証は取るに足らない問題が多いのではないか？ 例えば、いくつかの非常に大きな素数の積である巨大な数の素因数分解のようなものだ。10^25 年規模ではないかもしれないが、それでもそうではないのか？
これが多くの人を引っかけた理由は、「P≠NP を証明した」ように聞こえるからだ。理解の鍵は、A)「この計算」におけるこのという言葉をしっかり押さえること、B) 素因数分解が量子コンピューティングのもっともらしい応用であることを覚えておくことだ。
B と矛盾して見えるなら、「その通り、ただし量子コンピュータはまだ素因数分解を行えるほど大きくない」で綺麗に解ける。
記事で少し遠回しに言っているように、誰かが A) 古典的には妥当な時間で計算不可能で、B) 非常に小さな量子コンピュータで計算可能で、C) 古典コンピュータで妥当な時間内に検証可能な計算を見つければ、多くの研究者が興奮するだろう。
ハードウェアは進歩しているが、問題が一つある。量子コンピュータで走らせるアルゴリズムがない。RSA を破るのに有用な Shor のアルゴリズム以外には何もない。
量子シミュレーションや最適化に役立つかもしれないという漠然とした考えがあるだけだ。明日、完全に動作する量子コンピュータが手に入ったら、何を走らせるのか？ 空白の状態だ。
唯一の希望は量子アルゴリズムのブレークスルーだが、見えているものはなく、この方面の進展も多くない。しかも量子アルゴリズム企業の中で最も多く投資を受けた Zapata Computing も今年潰れた。
https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_algorithm
関連記事: Willow, Our Quantum Chip
https://news.ycombinator.com/item?id=42367649
要約すると、これは実際の結果で、すごい点はキュービットが増えるほど短くではなく、より長く生き残るように見えること。悪い点は、結果が明示的に検証されているのではなく、外挿でしか確認されていないこと
a) 誤り訂正は、信号を増幅するにはそもそも小さいレベルのエラーが必要で、ついにその地点に到達し、より大きな訂正構成がより多くのエラーを処理している
b) 「標準的な」ベンチマーク問題が、今や古典チップでは実際に計算不可能な何かを100%計算している。問題はあまりに量子的なので、古典チップでは検証することすらもう不可能だということ
本当に重要な話をすると、ポスト量子時代にはどこに投資すべきか？ 簡単にまとめる
GoogleのWillow量子チップは現在のスーパーコンピュータを大きく上回り、別の方法では数十億年かかる作業を数分で解決する。技術とAIの進歩が加速すれば、専門家の予測とは違って、2030年代より早く量子優位性が訪れる可能性がある
中央集権型の既存銀行システムは、送金凍結、手続きの再検証、新プロトコルへの管理された移行を通じて、ポスト量子安全暗号へより速く移行できる。一方、分散型暗号資産はハードフォークの調整が難しく、量子安全アルゴリズムに移行するとトランザクション署名が長くなって手数料が大きく上がり、信頼を損なう可能性がある
量子コンピュータが現在の暗号を脅かすなら、不動産や株価指数のような実物資産のほうが、暗号資産のようなデジタル資産より価値を維持しやすいかもしれない。どう思う？
GoogleのWillow量子チップが現在のスーパーコンピュータを大きく上回り、数十億年かかる作業を数分で解決すると言うが、いったいどんな種類の計算作業のことを言っているのか？
並行宇宙を持ち出す前に、このシステムをマクロな世界に存在する自然の途方もない粒子数と比べてみてはどうだろう？ 1グラムには10^23=2^76個の粒子がある
Googleのランダム回路サンプリング実験は67キュービットしか使っておらず、これは76よりも一桁少ない。チップには105キュービットがあり、誤り訂正実験は101キュービットを使ったというが、なぜなのか気になる
Googleの実験は、105キュービットの装置全体でランダム回路サンプリングを実行しようとして問題にぶつかったのだろうか？ 計算が並行宇宙を呼び出したと言う前に、まずその計算が、システム内の粒子状態に古典的にエンコードされた状態としては説明できないことを見たい
実際に起きていることと、コンピュータでできることの間には途方もない隔たりがあるように感じる。量子コンピュータでも同じかもしれない
理由は、その方式が3-7-15-...ビットを要求し、そのうち当てはまる最大値が7だから
表面符号による誤り訂正も同じで、リストにある値の中の最大数にすぎない。陰謀論は不要で、単一チップのキュービット数を決める製造能力とも関係ない
[0] https://en.wikipedia.org/wiki/Hamming_code
「量子コンピュータの結果を古典コンピュータが直接検証するだけでも約10^25年かかる」という主張はあまり筋が通らない。解くより検証のほうがずっと簡単な問題は多い
なぜそのようなアプローチで量子コンピューティングの主張を検証しないのだろう？
なぜそうしないのかというと、第一に、計算装置の性質にできるだけ近い問題領域を選ばなければ、10^25のような最大問題サイズに到達できないから。高速検証が可能な多くの問題では、現在印象的な大規模問題を扱えない。GPUがコンピュータグラフィックスや線形代数のような「途方もなく並列な」アルゴリズムにだけ本当に強いのと同じで、この量子チップも、あまり多くのコヒーレンスを要求しない特定のアルゴリズム群にだけ強い
第二に、潜在的な用途のかなり多くは検証が簡単ではないが、それでも非常に有用で興味深い。天気や気候の予測、量子化学シミュレーション、エネルギー省の核シミュレーションのようなものだ。暗号学は、簡単に検証可能な結果を与えるという点でかなり例外的だ
それまでは、Aaronsonが言う中間段階のテストアルゴリズムのようなものがない限り、おもちゃ問題にとどまらざるを得ない。ただし、そうしたアルゴリズムが存在すると、量子コンピュータに優位性はないという安易な反論を可能にしてしまい、PR上の価値は下がるだろう
[1] https://x.com/skdh/status/1866352680899104960