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IBMが433量子ビットを実現したQPU「Osprey」を発表 – さらなる性能向上も視野に

IBMは本日、IBM Quantum Summit 2022において、2022年のロードマップ目標である433量子ビットのQPU(量子処理装置)「Osprey」の開発に成功したことを発表した。この新しいQPUは、1つのQPU内で動作する量子ビットの数を従来(前世代の「Eagle」QPUは127個)の2倍以上と大幅に増加させている。

今回の発表は、2030年までに数万(おそらく数十万)個の量子ビットを搭載したQPUを提供することを目指すIBMにとって、開発がロードマップの通り順調に進んでいることを証明する結果となった。

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IBMの量子ロードマップ (Credit: IBM Quantum/IBM)

IBM の上級副社長兼リサーチ・ディレクターである Darío Gil(ダリオ・ギル)博士は、「新しい 433量子ビットの『Osprey』プロセッサは、これまで解決できなかった問題に取り組むために量子コンピュータが使用されるようになる点に一歩近づきました。IBM は、世界中のパートナーや顧客と協力し、現代における最大の課題に取り組むため、ハード ウェア、ソフトウェア、古典的な統合技術にまたがる量子技術のスケールアップと進化を継続的に行っ ています。この研究は、来るべき量子中心スーパーコンピューティングの時代の基礎となることを証明するものです。」と語っている。

IBMのロードマップの中心に位置するOspreyは、1つのチップ内の量子ビットの数を最も多く増加させる段階のものであり、IBMにとっても重要なものである。Eagleと比較すると、Ospreyは量子ビット数を3.4倍に増やしている。これは、同社の来年投入予定の1,121量子ビットの「Condor」での飛躍や、3年後に4,158量子ビットのQPU「Kookaburra」の投入を予定している時よりもさらに大きな量子ビット数の増加である。また、2019年に「Falcon」にて27量子ビットを導入して以来の、どの量子ビット数の増大よりも大きな飛躍となる。

IBMのロードマップ内でのOspreyの位置づけ、つまり同社が来年、Heronとそのp-カップリングで複数のQPUを相互接続することで量子スケーリングの探求を始める直前であることから、品質に妥協せずに量子ビット数を増やすことは、特別に重要な意味を持つ。しかし、おそらくもっと印象的なのは、この量子ビット数の急増が、IBMが将来のモジュール製品のための基礎のほとんどを築いたのと同じ時期に設計されたという事実だろう。

同社は2023年に133量子ビットのスケーラブルなHeron QPUを発表する予定だ。このQPUは、p-カップリングを利用して複数のHeronチップを相互接続する。モノリシックなQPUを作るよりも、与えられたパッケージ内で量子ビットを拡張し、別々のパッケージをリンクさせる方が簡単だという考えだ。

量子回路の実行に利用できるチップに収まるように、大容量の量子問題を分割する方法はいくつもあり、その方法は性能に重大な影響を及ぼす。しかし、マルチチップ化は必須であり、この方法を採用することは、古典的コンピューティングと量子コンピューティングの橋渡し役である制御電子サブシステム全体を再設計することを意味する。

IBM Quantumのチーフ・ハードウェア・アーキテクトであるOliver Dial(オリバー・ダイアル)博士によると、同社の希釈冷凍機(超伝導量子ビットを絶対零度(-273.15℃)近くまで冷却するハードウェア)内の量子ビット制御機構を変更することで大きな改善がもたらされたとのことだ。

Osprey以前は、IBMはマイクロ波制御情報を動作中の量子ビットに送信するために同軸ケーブルを使用していた。現在では、同軸ケーブルは柔軟性のあるリボンケーブル(ノートパソコンのように電子機器とヒンジがある場所に使用されているものと同じもの)に取って代わられている。このリボンケーブルは、それ自体の占有面積が非常に小さく、以前のソリューションよりもはるかに高いスループットを実現し、導入にかかる時間やリソースも少なくて済みます。Dial博士によると、IBMはこのリボンケーブルによって、制御密度を70%向上させ、コストを5倍削減することができたという。

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IBMの量子システムでは、同軸ケーブルに代わってフレキシブルリボンケーブルが採用され、従来の5分の1のコストで70%の高密度接続を実現している。(Credit: IBM Quantum/IBM)

IBMの新世代の量子力学では、制御サブシステムのFPGA(Field-Programmable Gate Array)の性能向上も重要な要素だった。

IBM の量子ビット制御の将来は、量子専用 ASIC (Application-Specific Integrated Circuits) を通過するが、FPGA はその柔軟性により、これまでは作業の大部分を処理していた。IBMは、FPGAのプログラマブルな設計の中で、さまざまな制御方式を試作することができる。このため、同社が自信を持ってASICを採用できるようになるまで、迅速な実験と反復を行うことができる。Dial博士によると、この変更により、1つの量子ビットを制御するのに必要な電力が約100Wからわずか10mWにまで削減され、電力効率がさらに大きく改善されるとのことだ。

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(Credit: IBM Quantum/IBM)

このことは、純粋量子体積(IBMをはじめとする業界各社が支持する量子コンピュータの性能推定値)が量子ビット数に比例して増加することを意味している。

IBMによれば、Ospreyの量子ビットの数と質は、その量子ビットの計算状態を記述しようとする古典的システムが、宇宙に存在する原子よりも多くの利用可能なビットを必要とするようなものであるという。すでに量子的な優位性を持つ段階に入っているようだ。

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2023年の稼働開始を目指す同社のHALO量子コンピュータ「IBM Quantum System Two」は、IBMの量子コンピュータに対するモジュラーアプローチを活用したものだ。(Credit: IBM Quantum/IBM)

もちろん、量子ビットの数や質は向上するかもしれないが、純粋な量子ハードウェアソリューションが一般ユーザーに提供するものはほとんどない。Dial博士は、IBMのクラウドサービスを通じて、誰でも(本当に誰でも)IBMの量子技術を利用することができると指摘する。

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Quantum Serverless は、量子および従来のリソースを活用するための新しいプログラミング モデルとなる (Credit: IBM Quantum/IBM)

量子コンピューティングには、量子専門家でなくてもこれらのシステムと対話できるようにするための厳しい抽象化の努力が必要だが、IBMは、ユーザーがそれを容易に行えるように、Quiskit Runtimeソフトウェアを倍増させた – ランタイムと精度の交換は、ソフトウェアの設定を変更するのと同じくらい簡単なのだ。

ドライバの改良、Quiskitランタイムの改良、および2022年を通してのパラメトリック回路の改良により、IBMは1,400CLOPSのスコアを約15,000CLOPSまですることができた。

新しい技術システムの開発には、ハードウェアの改良も必要だが、残りの半分は、そのハードウェアを実際に使用することです。そのために、IBMは量子サミットで、2024年までに100量子ビット×100ゲート演算深度をユーザーの手に渡すことを目指すイニシアチブ「100×100チャレンジ」も発表した。IBMは、同社の次世代モジュール型量子アーキテクチャ「Heron」を活用し、「この制約の中で、どのような量子計算問題を処理できるのか」という「What fits here?」に挑戦することを目指している。

「IBM Quantum Summit 2022は、量子ロードマップの進展に伴い、世界の量子コンピューティング分野の進化において極めて重要な瞬間となります。私たちが量子システムの規模を拡大し、よりシンプルに使用できるようにすることで、量子産業の採用と成長が継続されるでしょう。私たちのブレークスルーは、量子における次の波を定義するもので、私たちが量子中心スーパーコンピューティングと呼ぶもので、モジュール化、通信、ミドルウェアは、計算能力の拡張、量子と古典のワークフローの統合に貢献します。」と、IBMフェロー兼IBM Quantum担当VPのJay Gambetta(ジェイ・ギャンベッタ)氏は語る。

これらの発言とIBMの量子開発速度(ロードマップによると完璧な実行)を見ると、超伝導量子ビットに対する同社の賭けが功を奏しているようだ。IBM が示したように、量子ビット密度とコヒーレンス時間の増加により、127qubit の Eagle から 433qubit の Osprey へのジャンプが可能になったことを除けば、同社の量子システムの最適化にはまだ多くの活路がある。

「量子ビットの数を増やすことに関しては、何の障害もありませんし、デバイスの品質に関しても、何の障害もありません」とDial氏は言う。「今後数年間は、かなり堅実に進歩し続けるように思われます。」

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この記事を書いた人

TEXAL管理人。学校の授業でMS-DOSを使っていたくらいの年代。Windows95の登場で衝撃を受け、テクノロジー業界に興味を持つ。以来ガジェット・ゲーム情報を追い続けてうん十年。大学では物理を専攻していたこともあり、物理・宇宙関係の話題も大好き。

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