Amazon Web Services（AWS）は、量子エラー訂正の実装コストを従来のアプローチと比較して最大90%削減できる新しい量子コンピューティングチップOcelot（オセロット）を発表しました。このOcelotは、カリフォルニア工科大学にあるAWS Center for Quantum Computingの研究チームが開発しました。Ocelotは、従来型コンピュータの域を超えて商業的・科学的に重要な問題を解決できる、誤り耐性量子コンピュータの構築にブレークスルーをもたらします。
AWSのOcelotのアーキテクチャは、「キャット量子ビット（cat qubit）」を採用したエラー訂正を設計の最初の段階から組み込んだ新たな設計となっています。キャットビットの名称は、有名な思考実験「シュレディンガーの猫」に由来したもので、特定のエラーを抑制することにより、量子エラー訂正に必要なリソースを削減できます。Ocelotを使用した新しいアプローチを通じてAWSの研究者は初めて、キャット量子ビット技術と追加の量子エラー訂正コンポーネントを、マイクロエレクトロニクス産業由来のプロセスを使用して、スケーラブルな方法で製造可能なマイクロチップに統合することに成功しました。
これまでの歴史を見ても、コンピューティング分野における重要な進歩は、ハードウェアコンポーネントを根本的に見直すことによりもたらされてきました。それにより、新技術のコスト、パフォーマンス、さらには実現可能性にまで多大なインパクトを及ぼすことができるからです。コンピュータ革命が真に飛躍したのは、トランジスタが真空管に取って代わり、部屋全体を占めていた従来のコンピュータが、今日のコンパクトで、はるかに強力で、信頼性が高く、低価格のノートパソコンにまで小型化できるようになったからです。規模を拡張するには適切な構成要素の選択が重要ですが、今回の発表は、実用的な誤り耐性量子コンピュータにスケールアップするための効率的な手段を開発する上での重要な一歩となります。
AWSの量子ハードウェア担当ディレクターであるオスカー・ペインター（Oskar Painter）は、次のように話します。
「最近の量子研究の進歩に伴い、実世界での活用に向けて誤り耐性量子コンピュータを利用可能にすることは、もはや『実現するか否か』ではなく『いつ実現するか』の問題です。Ocelotは、その道のりの重要な一歩となります。将来、Ocelotアーキテクチャに基づいて構築された量子チップのコストは、エラー訂正に必要なリソースが大幅に減少することにより、現アプローチのわずか5分の1のコストになることでしょう。これにより、実用的な量子コンピュータの実現に向けたスケジュールが最大で5年短縮されることでしょう」
AWSの研究者は、『Nature』の査読付き論文で自らの研究結果を発表しました。Ocelotに関するさらに技術的な解説記事は、Amazon Science ウェブサイトをご覧ください。
量子コンピューティングの主な課題
量子コンピュータに関する最大の課題の1つは、環境のごくわずかな変化、すなわち「ノイズ」に非常に敏感である点です。振動、熱、携帯電話やWi-Fiネットワークからの電磁干渉、さらには宇宙からの宇宙線や放射線などにより、量子ビットは量子状態から外れ、量子コンピューティングの実行時にエラーが発生してしまいます。このため、信頼性が高く、エラーのない、複雑な計算ができる量子コンピュータを構築することは、歴史的に非常に困難でした。ペインターは、「最大の課題は、単に量子ビットを増やすことではありません。信頼性を担保することなのです」と話します。
この問題を解決するため、量子コンピュータでは量子エラー訂正が採用されています。量子エラー訂正とは、複数の量子ビットにまたがる量子情報を、特別なエンコーディング、つまり「論理」量子ビットの形で使用し、量子情報を環境から遮蔽するしくみです。これにより、発生したエラーの検知と訂正が可能になります。しかし正確な結果を得るために必要な量子ビットの数が膨大であるため、現在の量子エラー訂正アプローチでは法外なコストがかかります。
量子エラー訂正の新アプローチ
量子エラー訂正に付随する現在の問題に対応するため、AWSの研究者らはOcelotを開発しました。Ocelotはエラー訂正を最初から「組み込んだ」設計となっています。
ペインターは、「私たちは、量子エラー訂正に関する他のアプローチ方法を見て、別の道を選ぶことにしました。エラー訂正を後から組み込む従来のアーキテクチャを採用せず、量子エラー訂正を最優先事項とする量子ビットとアーキテクチャを選択しました。私たちは、実用的な量子コンピュータをつくるためには量子エラー訂正を優先する必要があると確信しています」と話します。事実、ペインターのチームはOcelotを「社会に革新的なインパクトをもたらすフルスケールの量子コンピュータにする場合、必要なリソースは標準的な量子エラー訂正アプローチのわずか10分の1で済む」と見積もっています。
量子エラー訂正について、製造における品質管理の場面を例に挙げて考えると、10か所の検査ポイントではなく、1か所の検査ポイントですべての欠陥を検出できるとすれば、どのような違いが生じるでしょうか。得られる結果は同じかもしれませんが、後者の方が必要なリソースが少なく、全体的な製造プロセスが改善されます。Ocelotのようなアプローチを通じて必要なリソース量を減らすことで、より小規模で、より安定的な量子コンピュータを、より低コストで構築できます。こうしたことのすべてが、実世界での将来の活用、たとえばより高速な創薬、新素材の開発、金融市場におけるリスクや投資戦略についての正確な予測などに量子コンピューティングを用いる道のりを加速します。
サイエンスフィクションをサイエンスファクトへ
この度の発表は期待の高いスタートと言えますが、Ocelotはプロトタイプであり、AWSは引き続き量子研究への投資とアプローチの改良にコミットしていきます。AWS Gravitonをクラウドの主要なチップの1つにするまでには、信頼性と安全性を確保しながらx86システム（中央演算処理装置で広く使われているコンピュータアーキテクチャ）を大規模に稼動させるための長年にわたる開発と学習が必要であったように、AWSは量子コンピューティングに対して同様の姿勢で臨んでいます。
ペインターは、「私たちはスタートしたばかりであり、これからスケーリングの段階をいくつか通過していくことになります。これは非常に難しい課題ですので、私たちは基礎研究への投資を継続すると同時に、学術界で行われている重要な研究への関与を続け、そこから学ぶ必要があります。今、私たちがするべきことは、量子コンピューティングスタック全体で革新を続け、適切なアーキテクチャを使用しているかどうかを常に検証し、これらの教訓をエンジニアリングの取り組みに活かすことです。これこそ、継続的な改善とスケーリングの原動力です」と述べています。
量子コンピューティングの始め方
AWSのAmazon Braketを利用すれば、量子コンピューティングを今すぐ試すことができます。Amazon Braketはフルマネージド型の量子コンピューティングサービスで、科学者、開発者、学生を問わず、サードパーティが提供するさまざまな量子コンピューティングハードウェア、高パフォーマンスなシミュレータ、そして量子コンピューティングを始めやすくする一連のソフトウェアツールを利用できます。
Ocelot（オセロット）とは？
- Ocelot（オセロット）は、AWSの量子エラー訂正アーキテクチャの有効性を検証するために設計されたプロトタイプの量子コンピューティングチップです。
- 2つの統合型シリコンマイクロチップから構成され、各チップの面積はおよそ1cm2。2つのチップは電気的に接続されたチップスタックで積み上げられています。
- 各シリコンマイクロチップ表面の超伝導素材からなる薄層が、量子回路要素を形成しています。
- Ocelotチップは、5つのデータ量子ビット（キャット量子ビット）、データ量子ビットを安定化するための5つの「バッファ回路」、量子ビットのエラーを検出するための4つの追加の量子ビットという、14個のコアコンポーネントで構成されます。
- キャット量子ビットは、演算に使用される量子状態を格納します。このためには、安定したタイミングで反復的な電気信号を生成する発振器が必要になります。
- Ocelotの高性能発振器は、タンタルという超伝導物質の薄膜で作られています。AWSの材料科学者は、独自開発の特殊な方法でシリコンチップ上のタンタルを処理し、発振器のパフォーマンスを向上させました。
量子コンピュータのしくみ
量子コンピュータは、暗号技術から新素材工学まで、社会やテクノロジーを大きく進歩させる可能性を有しています。私たちが現在使用している従来の「古典的」なコンピュータとの主な違いは、従来型が最も基本的な情報の単位として1か0のデジタル値で表されるビットを使用するのに対し、量子コンピュータは電子または光子といった素粒子である量子ビット（quantum bit / qubit）を使用して計算を行います。正確にタイミングを合わせて調整した電磁パルスを量子ビットに印加することで、量子ビットの「量子状態」と呼ばれるものを制御します。量子状態は、1と0の両方の状態を同時にとることができます。この常識を超えた振る舞いが数多くの量子ビットで起こることで、量子コンピュータはいくつかの重要な問題を古典的なコンピュータよりも指数関数的に速く解くことができます。
詳しくは、AWS Center for Quantum Computingをご覧ください。
※現地時間2025年2月27日にAbout Amazonで発表された本社発表をもとに再編集したものです。
※内容および解釈については英語のオリジナルが優先されます。
