グーグル「シカモア」、中国「九章」 量子コンピューターの最前線を追う

マーティニスはこの問題に何年も取り組み、さまざまな試行錯誤の末に、1つのコンピューターで複数の量子ビットを同時に動かすタスクに着目。最終的にグーグルとの協業にたどり着き、2019年のデモで使用された「シカモア」の開発をスタートさせた。

54の量子ビットを搭載するプロセッサーである「シカモア」は、絶対零度近くに冷却された状態でカリフォルニア州サンタバーバラ郡にあるグーグル研究所の一室に保管されている。室内には微弱なマイクロ波が放射され、これが量子ビットを「刺激」しコンピューターを動作させる。

マーティニスら量子技術者にとって大きな問題は、どうやって演算の実行に必要な時間の間、量子ビットをそのままの状態に保つかだ。

量子ビットの「重ね合わせ」のイメージ図　CIPHOTOS/ISTOCK

量子ビットが同時に0と1の両方になれる「重ね合わせ」の性質は量子コンピューターの動作に不可欠な要素だが、わずかな「揺らぎ」があるだけで量子ビットは1または0に決定してしまい、微妙な「量子もつれ」のシステム全体を崩壊させかねない。

極端な低温に冷却していても、量子ビットはすぐに「壊れて」しまい、多くの演算がエラーになるという厄介な性質がある。量子コンピューターの開発だけでも十分に難しいが、エラーのない量子コンピューターを作るのは今のところ技術者にとって夢のまた夢だ。

「量子ビットに演算をさせている間も、『重ね合わせ』と『量子もつれ』を維持したい」と、グーグルやその他の量子技術者と共同研究を行っている米テキサス大学オースティン校のスコット・アーロンソン教授（コンピューター科学）は言う。

「問題は量子ビットが非常に壊れやすいことだ。量子ビットが0か1かの情報が『外部に漏れる』と、すぐにシステム全体が崩壊してしまう。この『ノイズ性』が量子コンピューターを作る上での根本的課題だ」

グーグルと中国の量子コンピューターの場合、テスト方法を考案すること自体が難題だった。従来のコンピューターでは常識的な時間内に演算不可能な問題を、量子コンピューターに解かせる際にどうやって結果の正しさを確認するのか。

最も簡単な方法は、暗号化されたメッセージにショアのアルゴリズムを使うことだ。メッセージを解読できれば、量子コンピューターがきちんと動いたことが分かる。だがショアのアルゴリズムは、現段階の量子コンピューターには難し過ぎた。

2011年、アーロンソンらは光子のような素粒子が障害物で跳ね返ったときにどのように振る舞うかを予測する「ボソン・サンプリング」のアイデアを考案した。

これには量子力学に基づく多くの演算が必要になるため、古典コンピューターには難しい問題だが、量子コンピューターはそもそも量子力学に基づいて設計されているので、この種の演算は朝飯前のはずだ。

さらにアーロンソンは、古典コンピューターで問題を解かなくても統計的に結果を確認する方法も考案した。