現実世界での「MOSS」の探求（第1部）：これほどの計算能力は本当に可能か？

制作：中国科学普及協会

著者: ルアン・チュンヤン (清華大学物理学科)

プロデューサー: 中国科学博覧会

少し前に人気を博したSF映画『流転の地球2』は、人々の未来技術に対する無限の想像力に火をつけた。 2040年代を舞台にしたこの映画には、深海に沈められたデータセンターから、地球の航行を推進する「惑星エンジン」、自律的な意識を持つ「デジタル生命体」まで、一連の「ブラックテクノロジー」が登場する。映画に出てくる「ブラックテクノロジー」の背後には、必ず「インテリジェント量子コンピュータ 550W」（MOSS）が存在します。

「MOSS」は量子コンピュータの指数関数的な計算能力を活用し、世界中の計算リソースを統合して派遣し、世界中の10,000台の「惑星エンジン」の協調動作に対応できるだけでなく、「デジタルライフプロジェクト」の膨大な計算能力の要件も満たすことができ、将来の量子コンピュータに対するすべての人の無限の想像力を満たしたと言えます。

「流浪の地球2」のモス

（写真提供：『流浪地球2』のスチール写真）

夢が現実になるとき：現実世界で「MOSS」を見つける

そこで、「流転の地球2」の「MOSS」の設定を参考にして本物の量子コンピュータを構築したい場合、映画の中での「MOSS」の性能説明を確認する必要があると考えてください。

まず、「MOSS」は「550」シリーズの最新の量子コンピュータであり、ナビゲーター宇宙ステーションの中核となるインテリジェントホストです。第二に、「MOSS」のインタラクティブ端末は常温常圧で動作できるものの、「MOSS」の開発過程では常に巨大な冷却装置が接続されていました。最後に、映画の中での「MOSS」の自己紹介によると、その計算能力は「量子ボリューム」という新しい指標によって測定され、8192個の「量子ボリューム」の超計算能力によってこそ、最短時間で最も正確な決定を下すことができ、それによって人類文明を存続させる使命をしっかりと遂行できるという。

（写真提供：Veer Gallery）

SF映画は現実世界の科学技術から派生したものであるため、まずは「8192量子ボリューム」という重要な手がかりをもとに、現在の量子コンピュータの開発における「MOSS」に関する手がかりを見つけ、量子コンピュータ構築の夢を現実のものにすることができます。

「量子ボリューム」 – 量子コンピュータの全体的なパフォーマンスを評価する指標

私たちが普段接するコンピューティング デバイスはすべて古典的なコンピューターです。これらは 1 と 0 の 2 進演算を使用し、1 または 0 の状態のみを表すことができるこの基本的な計算単位は「ビット」と呼ばれます。量子コンピュータのデータ計算では、基本計算単位は 1 状態または 0 状態を表現できるだけでなく、確率的に 1 状態と 0 状態が同時に存在することもできます。 1 と 0 のエンタングルメント状態を表すことができるこの基本的な計算単位は、「量子ビット」と呼ばれます。

したがって、量子コンピュータと古典コンピュータの最も根本的な違いは、量子コンピュータは 1 と 0 が絡み合った状態にある「量子ビット」の魔法の力に頼って並列計算を実行し、指数関数的に高い計算能力を得ることができるという点です。

（写真提供：Veer Gallery）

科学者たちはまた、荷電イオン、中性原子、自然界に自然に存在する光量子、人工の「超伝導量子」や量子ドットなど、「量子ビット」として機能できる物理的なキャリアを徐々に発見し、そこから量子コンピューターのさまざまな実装計画を開発してきました。

ただし、さまざまな実装スキームにはそれぞれ長所と短所があるため、さまざまなモデルの量子コンピューターの全体的なパフォーマンスを評価するには、統一された標準を使用する必要があります。これは日常生活と同じです。さまざまな電子機器メーカーが製造したプロセッサの全体的なパフォーマンスを比較する場合は、統一された標準評価アルゴリズムを使用してベンチマーク テストを実行する必要があります。量子コンピュータのさまざまなモデルにおいて、全体的なコンピューティング パフォーマンスを評価するために使用されるこの科学的指標は、「量子ボリューム」(QV) と呼ばれます。

IBMが開発した量子コンピュータチップの概略図

画像出典: IBM

具体的には、「量子体積」は幾何数学における体積の概念ではなく、複数の要素と複雑な計算を伴う一連の統計テストです。主な要素は 3 つあります。量子ビットの数、計算の全体的なエラー率、量子ビットの接続性です。

理想的には、量子コンピュータが並列計算用に N 個の量子ビットを備えている場合、理論的には 2 の N 乗の計算能力を実現できます。理想は素晴らしいですが、現実は複雑です。現実には、ある程度の環境干渉は常に存在するため、量子コンピュータの計算には常に一定の総合的なエラー率が発生します。この損失を補うために、量子コンピュータでは実際の計算で追加の量子ビットが必要になります。

さらに、N 個の量子ビットを持つ量子コンピュータの場合、N 個の量子ビットの並列計算を完了するには、任意の 2 つの量子ビットが「量子もつれ」を通じて相互接続できる必要があります。しかし、量子コンピュータのさまざまなモデルのアーキテクチャ設計上の制限により、一部の実装では量子ビットは最も近い隣接量子ビットにしか接続できず、量子ビットの接続性が低下し、本来の理想的な指数関数的な計算能力が大幅に低下します。

IBM が開発した 20 量子ビットおよび 50 量子ビットのチップのアーキテクチャは、各量子が隣接する量子ビットにのみ接続できることを示しています。

(画像提供: IBM)

3 つの異なるタイプの量子コンピュータがあったと想像してください。

1) A 型量子コンピュータには 12 個の量子ビットがありますが、各量子ビットには一定の動作エラー率があり、各量子ビットは最も近い隣接量子ビットにのみ接続できます。

2) タイプ B の量子コンピュータには 8 つの完全な量子ビットがあり、各量子ビットは最も近い隣接量子ビットにのみ接続できます。

3) C型量子コンピュータには完全な量子ビットが5つしかありませんが、各量子ビットは任意に接続できます。

このように、量子ビットの数、計算の全体的なエラー率、量子ビットの接続性を総合的に考慮し、「量子ボリューム」という総合的な指標を使用して、3つの異なるモデルの量子コンピューターABCの全体的なパフォーマンスを評価することができます。

（画像出典：著者自作）

「量子ボリューム」を継続的に進化させ、更新し続ける

2017年に「量子体積」の概念が初めて提案されて以来、量子コンピュータは毎年「量子体積」が少なくとも2倍になる速度で進化してきました。これは、古典的なコンピューターの継続的な反復を説明するムーアの法則に似ており、古典的なコンピューターの計算能力は約 2 年ごとに 2 倍になると述べています。

研究チームは2017年にすでに5量子ビットを使用して量子体積4（QV4）を達成していました。 2018年と2019年に、研究チームはさらに20量子ビットを使用して、それぞれ8量子ボリューム（QV8）と16量子ボリューム（QV16）に増加しました。翌年の 2020 年と 2021 年には、量子ボリュームが QV128 と QV2048 にさらに更新されました。 2022年、イオントラップ実験方式に基づく量子コンピュータが、極めて低い計算エラー率で8192量子体積（QV8192）の新記録を樹立しました...

量子ボリュームは2022年に8192に達する

(画像出典: Quantinuum)

このことから、映画の中の「MOSS」のパラメータ設定は、現実の最新の量子コンピュータから派生したものである可能性が高いが、「8192量子ボリューム」はまだ開発のごく初期段階にあり、映画の中の「MOSS」のスーパーコンピューティングパワーには程遠いものと思われる。科学者たちは、量子コンピュータの継続的なアップグレードにより、近い将来に量子ボリュームが数百万に達し、最終的には汎用量子コンピュータが実現すると予測しています。

IBMが開発した次世代量子コンピュータには、433量子ビットを備えたOspreyと呼ばれる内部チップが搭載されている。

(画像提供: IBM)

このとき、改めて映画の中の「MOSS」を振り返ると、改めて考えずにはいられない。「MOSS」の開発中、なぜ巨大な冷凍装置が常に接続されていたのか？実際に最新の量子ボリューム記録を樹立したイオントラップ量子コンピュータは、「MOSS」と同じ技術的ソリューションを使用しているのでしょうか?量子コンピュータは外部環境の影響を受けやすいのに、なぜ「MOSS」対話型端末は常温常圧で動作できるのでしょうか？この疑問の答えを知りたい方は、次回の記事で「MOSS」の実際のプロトタイプである超伝導量子ビットソリューション、イオントラップ量子ビットソリューション、光量子ビットソリューションを引き続き紹介します。