IBM 量子テクノロジー

IBM® の量子コンピューターは、すべて少なくとも 127 量子ビットを搭載しており、世界最大の量子コンピューター群を形成しています。これらの量子コンピューターは超伝導トランズモン量子ビットを採用しています。これは唯一の量子ビットの種類ではありませんが、多くの利点を持っています。世界トップクラスの量子コンピューターと Qiskit を組み合わせることで、ユーザーは量子コンピューティングが現実の世界でどのように役立てられるかを、今まさに探求できます。業界パートナーや研究者は IBM Quantum® テクノロジーを使って、意味のある計算や現実的な応用を探索しています。IBM Quantum がパートナーに提供するプログラムやサービスの幅広さを見ていきましょう。

IBM Quantum ネットワークのメンバー機関に所属している場合は、所属機関の量子コンピューティンググループに問い合わせて、利用できるメリットを確認してください。

学習目標

このモジュールを終了すると、次のことができるようになります。

• 意味のある問題を解くには、量子リソースと古典リソースを組み合わせる必要があることを理解できる。
• 意味のある問題を解くために利用可能なハードウェア、ソフトウェア、サービスを特定できる。
• スケール、品質、速度などの指標を用いて、量子コンピューティングの性能を評価する方法を説明できる。

IBM Quantum プラットフォーム

IBM Quantum プラットフォームは、ユーザーが優れた研究・開発を行うために必要なすべてのリソースを一箇所にまとめた、量子コンピューティングツールのスイートを提供しています。ユーザーはアカウントを作成してサインインすることで、IBM の量子コンピューターへのアクセス、コンピューターの詳細の確認、ワークロードの追跡、ドキュメントやラーニングのイネーブルメント資料へのアクセスが可能になります。

• ホームページは、製品エコシステムの主要な出発点として機能します。ここでは API キーの取得、インスタンスや使用状況の概要の確認、最近のジョブ詳細の確認、プラットフォーム内のその他の場所へのリンクにアクセスできます。
• ドキュメントは、Qiskit ドキュメント、サービスドキュメント、API リファレンス情報を一箇所に集約し、ユーザーの自然なワークフローをサポートする形で整理されています。
• ラーニングは、コースや教育モジュール、インタラクティブな Circuit Composer（近日公開予定）などの教育資料のホームです。このグラフィカルとコードエディターを組み合わせたツールにより、ユーザーは回路を視覚的にプロトタイプ、シミュレート、デバッグし、IBM の量子コンピューター上で実行できます。

Qiskit Runtime

Qiskit Runtime は、量子プロセッサーと緊密に統合された古典コンピューティングユニット上で量子プログラムを実行する、ポータブルでセキュアなコンテナ化されたアーキテクチャです。Qiskit Runtime により、量子コンピューターはあらゆるコンピューティング環境の一部として計算を高速化できます。これはグラフィックス処理ユニット（GPU）に似た仕組みで、量子処理ユニットへのジョブオーケストレーションとデータ転送を処理し、効率を最大化します。

Qiskit と Qiskit Runtime により、クラウド上のコンピューティングリソース全体でプログラムを素早くオーケストレーションできます。IBM は量子ミドルウェアを構築し、並列化されたクラウドベースの量子・古典計算リソース全体で実行される量子アプリケーションの性能を最大化しています。このミドルウェアには、回路ニッティングツールボックスと量子サーバーレスアーキテクチャが含まれます。

回路カッティング Qiskit アドオンにより、開発者は大きな回路を現在の量子コンピューターに適した小さな回路に分割できます。回路ニッティングは、古典計算を使って量子回路の計算負荷の一部を引き受け、どちらか単独では達成できない結果を超えることを可能にします。追加のツールにより、古典リソースで回路を再構築し、最終結果をつなぎ合わせることができます。

量子サーバーレスは、弾力的な古典リソースと IBM Qiskit Runtime サービスを接続するマルチクラウドオーケストレーションツールキットです。量子サーバーレスにより、開発者はリソースのプロビジョニングではなく、コードそのものに集中できます。

IBM 超伝導量子コンピューター

IBM の量子プロセッサーは、超伝導トランズモン量子ビットという物理的な量子ビットを使用しています。これはシリコン基板上に超伝導材料でパターニングして製造されます。他の量子プロセッサーには、単一の光子で作られたフォトニック量子ビットや、荷電原子粒子に情報を蓄えるトラップイオン量子ビットを使用するものもあります。電流の流れを円滑にするため、超伝導量子ビットは絶対零度に近い極低温に維持する必要があります。

IBM 127量子ビットプロセッサー

量子コンピューティングの性能

量子コンピューティングの性能測定

普遍的なフォールトトレラント量子コンピューターは、量子コンピューティングの大きな課題です。これは信頼性の低いコンポーネントを使いながら、普遍的な量子演算を正確に実行できる装置です。現在の量子コンピューターはフォールトトレラントではありません。

量子コンピューター同士を比較する際、量子ビット数だけでは不十分です。エラー率や配線の仕方など、他の多くの詳細を考慮する必要があります。量子コンピューティングの性能を測定するための主要な指標は 4 つあります。

• スケール - 量子ビット数で測定され、量子コンピューターにエンコードできる情報量を示します。
• 品質 - 量子ボリュームで測定され、回路の品質や回路がハードウェアにどれだけ忠実に実装されているかを示します。
• 速度 - **CLOPS（Circuit Layer Operations Per Second）**で測定され、一定時間内にハードウェア上で実行できる回路数を示します。
• レイヤーフィデリティ - **EPLG（Errors Per Layered Gate）**で測定され、量子ビット上で演算が実行されたときにエラーがどのように発生するかを表します。

上記の一部の指標についてのより詳しい説明は、IBM Research Blog のこちらの記事をご覧ください。産業界における量子コンピューティング採用の各フェーズは、回路の幅、量子ビットの接続性、エラー率などのさまざまなパラメーターを用いて計算される量子ボリュームの増大によって推進されます。

量子ボリュームの技術的な定義は、数式なしで伝えるのが困難です。 IBM の研究担当ディレクターである Dario Gil が説明します。

量子ボリュームをより深く理解するために、次のような興味深いアナロジーを考えてみましょう。以下のセクションでは、ニューヨーク市観光を例に、時間、空間、エラー率について説明します。

量子ボリュームの状態を巡る旅

量子ボリュームは、量子コンピューターが探索できる最大の量子計算空間を表します。量子空間の体積は 2^N（N は量子ビット数、すなわち通常の状態空間の次元数）です。ここで意図的に「空間」という言葉を使っているのは、空間と言えば体積を連想しやすいからです。

この探索を制限する要因はエラー率です。エラー率は、空間を探索できる時間の量に相当します。エラーが多いほど、探索できる時間が少なくなります。計算空間が広いほど、完全に探索するのに時間がかかるため、エラー率の小さい量子コンピューターが必要になります。

ニューヨーク市を観光している旅行者を想像してください。旅行者は市全体を探索したい、つまりニューヨーク市全体の大きさの「観光ボリューム」を達成したいと考えています。もし旅行者に 1 日しか与えられないとすれば、そのような広い空間を探索する方法はなく、旅行者は望む観光ボリュームを得られません。しかし、3 日間を与えれば、旅行者はおそらく主要なスポットをすべて訪れ、ニューヨーク市の必要な観光ボリュームを達成できるでしょう。

では、旅行者により多くの時間を与えながらも、空間をニューヨーク市に制限したらどうなるでしょうか？つまり、量子ビット数を同じに保ちつつエラー率を下げた場合はどうなるでしょうか？この場合、旅行者はすでに市を探索し終えており、同じ場所を繰り返し訪れているだけなので、旅行者に何のメリットもありません。観光ボリュームは変わりません。むしろ、より多くの時間があるなら、旅行者は訪れる観光スポットの数を増やすほうが賢明です。

あるいは、時間を 3 日間に固定しながら、旅行者がニューヨーク市とロングアイランド全体を探索しようとしたとします。つまり、エラー率を固定したまま量子ビットを増やした場合はどうなるでしょうか？この場合も、旅行者は与えられた時間内でその広い空間を探索できないため、観光ボリュームはニューヨーク市のままです。つまり、より優れた旅行者になり、より大きな観光ボリュームを達成するには、観光空間と探索できる時間の両方を同時に増やす必要があります。

全く同じ方法で、より大きな量子ボリュームを達成する優れた量子コンピューターを構築するには、量子計算空間（量子ビット数）を増やしながら、同時にエラー率を下げる（アルゴリズムが実行できる時間を増やす）必要があります。例えば、チューナブルカップリングアーキテクチャの進歩により、IBM はたった 1 年間で量子ボリュームを 2 回倍増させました！

しかし、量子コンピューティングが進化するにつれ、量子コンピューターが妥当な時間内に実行できる有用な作業をより重視するようになります。スケールを量子ビット数で、品質を量子ボリュームで測定するとすれば、量子処理速度とは、それらの量子ビットが妥当な時間内に実行できる有用な作業量の尺度です。これは 1 秒間に処理できるプリミティブ回路の数として定義されます。これは古典コンピューティングの FLOPS（1 秒あたりの浮動小数点演算数）に似た概念です。QPU 速度の向上は、実用的な量子コンピューティングへの鍵です。古典的なコンピュータープログラミングと同様に、量子プログラミングでも多くの回路を実行する必要があります。適切な QPU 速度があれば、ユーザーは量子コンピューティングをワークフローの一部として取り込めるようになります。

理解度チェック

以下の質問を読んで答えを考え、三角をクリックして解答を確認してください。

正誤問題：量子ボリュームとは、IBM 量子コンピューターを収容する冷凍冷却機の物理的な大きさを指す。

誤りです。量子ボリュームは、現在の量子コンピューターの性能を一つの数値で表すことを目的とした指標です。

量子コンピューティングの今後

現在の量子コンピューター、そして近い将来に期待されるものも含め、ノイズが多い状態です。これは環境からの干渉に敏感であり、結果の忠実度に影響を与える可能性があることを意味します。古典コンピューティングがプロセッサーのモジュラースケーリング、効率的な計算、並列化を通じて進化してきたように、量子コンピューティングも潜在能力を最大限に発揮するよう進化していくと考えられます。完全なフォールトトレラント量子コンピューターに向けて取り組む中で、現在持っているハードウェアとソフトウェアで有用な問題を解決したいと考えています。

量子ユーティリティ

IBM Quantum とカリフォルニア大学バークレー校は、IBM Quantum ハードウェアとエラー緩和手法の進歩により、量子コンピューターが予想よりも早く価値を提供できるという証拠を発表しました。単なる概念実証にとどまらず、実用的なレベルで正確な結果を提供しました。この研究で探索した計算モデルは、近い将来の量子コンピューター向けに設計された多くのアルゴリズムの核心的な要素です。

量子と古典のフィードバックループは、量子技術を進歩させる鍵となります。量子ユーティリティに焦点を当て、既存の高性能コンピューティングフレームワークに挑戦する複雑な問題を量子で探索し、その結果を古典的に検証します。量子が複雑な回路を実行し、古典コンピューターが量子の結果を検証するというこの継続的なやり取りにより、両方の計算領域が改善され、近い将来の量子コンピューターの能力に対するユーザーの信頼が高まります。

任意の追加資料 — 三角をクリックして実験の詳細を読む

• この実験では、IBM Quantum Eagle プロセッサーの 127 量子ビットすべてを使って、量子コンピューターに自然にマッピングされるシステム（量子イジングモデルと呼ばれる）の変化する挙動をシミュレートしました。イジングモデルは、エネルギー場の中で相互作用する原子を格子状の量子的な二択システムとして表現した、自然の単純化されたモデルです。これらのシステムは、量子コンピューターを構成する二状態の量子ビットによく似ており、手法の能力をテストするのに適しています。ZNE を使って、期待値（回路の可能な結果の加重平均）と呼ばれるシステムの特性を正確に計算しようとしました。

• 同時に、バークレーチームは Lawrence Berkeley National Lab の National Energy Research Scientific Computing Center（NERSC）およびパデュー大学の高性能スーパーコンピューターを使って、テンソルネットワーク法で同じシステムのシミュレーションを試みました。

• 量子手法は厳密な手法と一致し続けました。しかし最終的に、難易度が上がるにつれ古典的な近似手法が精度を落とし始めました。

• 最後に、両方のコンピューターに対して厳密な計算が不可能な領域での計算を依頼したところ、量子コンピューターがより正確であると確信できる答えを返しました。その答えが本当に正しいかどうかは証明できませんが、実験の前のステップで Eagle が成功したことが、それらの結果への信頼を与えてくれました。

エラー訂正

エラー訂正は何十年もの間、主要な研究分野でした。しかしその大部分の間、理論的なエラー訂正技術は実際の量子コンピューターへの実装が現実的ではありませんでした。最大の理由は、必要な物理量子ビット数が非常に多いためです。実際、多くの専門家が、実用的なフォールトトレラント量子コンピューティング（FTQC）には数百万個の物理量子ビットが必要になると予測しています。しかし、Nature の表紙を飾った最近の論文で、IBM の研究者たちはその制限を克服する新しいコード（グロスコードと呼ばれる）を発表しました。

論文「高閾値・低オーバーヘッドのフォールトトレラント量子メモリ」では、デリケートな量子データを蓄積するエラーから保護する効率が従来の方法の約 10 倍高い、新しい量子エラー訂正コードが説明されています。エラー訂正の始まりにどれだけ近づいているかを考えるために、グロスコードを使えば 288 量子ビットを使って 12 個の論理量子ビットを約 100 万サイクルのエラーチェックで保護できます。

エラー訂正がエラー緩和やエラー抑制を突然置き換えることは期待されていません。むしろ、今後数年間は、エラー緩和と抑制が引き続き重要な役割を果たし、エラー訂正された量子ビット数の増加と並行して進むでしょう。

IBM Quantum 開発ロードマップ

私たちは今、量子ユーティリティの時代に確かに入っています。これは量子コンピューターが量子コンピューティングにおいて古典コンピューターよりも優れており、ユーザーが新しいアルゴリズムを発見し量子優位性を探求するために活用できることを意味します。私たちのロードマップは歴史的なマイルストーンと 2026 年までに近い将来の量子優位性を達成するための計画を概説しています。

2029 年までに、200 個の論理量子ビット上で 1 億量子ゲートで構成される量子回路を実行できる大規模フォールトトレラント量子コンピューター「Starling」を提供予定です。このシステムは現在、ニューヨーク州ポキプシーにある歴史ある施設で構築しています。詳細はガイドロードマップ PDF で確認できます。

IBM Quantum の開発ロードマップの詳細はこちらをご覧ください。

5k チャレンジ

IBM は量子研究コミュニティと協力して、量子コンピューティングから恩恵を受ける可能性のあるユースケースを探索しています。ユーザーが量子で重要な問題を探求できるよう、ますます強力なツールを提供しています。2024 年には、長く高品質な回路のバイアスのない観測量を計算できるツールをリリースしました。100 個以上の量子ビットとディープ回路の組み合わせで何ができるかを探ることは、かつて「100x100 チャレンジ」と呼ばれていました。しかし、正確な量子ビット数と深さよりも、その組み合わせの力を活用することの方が重要です。1 回の計算で 5,000 個の量子回路を使えば何が可能かを想像してみてください。ユーザーは現在の最高性能の古典コンピューターの能力を超えた複雑さと実行時間を持つ量子回路を実行できます。量子コミュニティが量子の力を活用し、重要な問題を解決するために何を構築するかを楽しみにしています。

量子中心スーパーコンピューター

スケールの大きな問題を解決する鍵は、単一チッププロセッサーを超えることです。2024 年には、複数のチップで構成された初めての単一プロセッサー Crossbill を発表しました。これは新しいスケーリング時代の幕開けを告げる第一歩であり、量子中心スーパーコンピューティングによる 100,000 量子ビット以上への明確な道筋を提供します。これはスケーリングを可能にするモジュラーコンピューティングアーキテクチャです。量子通信と計算を組み合わせて計算能力を高め、ハイブリッドクラウドミドルウェアを採用して量子ワークフローと古典ワークフローをシームレスに統合します。

世界で最も複雑な問題を解くには、古典リソースと量子リソースを組み合わせる必要があります。さらに、産業界と学術界の継続的なコラボレーションにも依存しています。

重要なポイント

以下の重要なポイントを押さえておきましょう。

• 現在の量子コンピューターはフォールトトレラントではありません。
• 量子ボリュームは量子コンピューターの性能を総合的に測る指標です。量子ボリュームが高いほど優れています。量子ビット数だけで語ることは誤解を招きます。
• 量子コンピューターの性能を測定するための主要な指標は 4 つあります：スケール、品質、速度、レイヤーフィデリティ。
• IBM Quantum と UC バークレーの共同実験により、IBM 量子コンピューターが 127 量子ビットの規模で困難なシミュレーション問題に対して信頼性が高く正確な結果を提供できるという証拠が示されました。
• 量子中心スーパーコンピューティングとは、量子を古典と量子が 1 つの計算ユニットとして機能するより広い HPC パラダイムの一部として扱うことを意味します。