Googleが量子コンピューティングAIラボを発表、今後10年のロードマップを公開

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エリック・ルセロ博士

最近、Google Quantum AIのチーフエンジニアであるErik Lucero氏が世界中のメディアをGoogle Quantum AI Parkの仮想「ツアー」に案内し、パーク内のいくつかの重要な実験設備を実演し、Googleの量子コンピューティングにおける最新の進歩といくつかの重要な洞察を共有しました。

Google Quantum AI Campus はサンタバーバラにあり、Google はここで量子コンピュータの研究と製造を行っています。公園全体の装飾スタイルは独特で、色彩感覚が強いです。公園内にはたくさんの落書きがあり、面白い小さな装飾がたくさんあります。エリックは、バイオニクスの重要性を皆に思い出させるために、Google の量子プロセッサ Bristlecone にちなんで名付けられた絵画をキャンパス内に導入しました (Bristlecone チップ内の量子ビットの配置は、松ぼっくりの鱗のパターンに似ています)。さらに、エリック氏はメインの実験室の様子をデモンストレーションし、量子コンピューティングの原理や量子コンピューティング用の低温環境を作り出すために使用する装置について説明しました。

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Google Quantum AI パークの落書き

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Google Quantum AI パークの落書き

質問に答える際、エリック氏は、Google は現在「量子超越性」を実証しており、次の目標はエラー訂正可能な論理量子ビットを実現し、最終的にはスケーラブルなエラー訂正量子コンピュータを実現することであり、これは今後 10 年以内に完成する予定であると述べた。量子コンピューティングの具体的な応用について語る際、エリック氏は、量子コンピューティングはまだ実用的な問題の解決には使用されていないが、将来的には気候変動や食糧不足などの問題を解決する可能性があると述べた。

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エリックは公園のメイン研究室の設備を紹介しています

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エリックは公園のメイン研究室の設備を紹介しています

以下は Q&A セッションのハイライトです。

Q: 論理量子ビットとは何かを説明していただけますか?

論理量子ビットは、十分な数の高品質の物理量子ビットで構成されており、抽象的には、エラー訂正を実行するために 2 次元グリッドに配置された 1,000 個の物理量子ビットとして考えることができます。現時点では、グリッドのようなレイアウトと物理量子ビットの忠実度の両方が、私たちにとって最も適したアーキテクチャです。すべての電子とそれに接続する物理的な量子ビットを十分かつ細かく制御する必要があります。

2 つの論理量子ビットを組み合わせてそれらの間で演算を実行できるようになると、これらの 2 つの論理量子ビットが最初のトランジスタを形成しました。

Q: Google の量子コンピューティングの青写真について、さらに詳しく教えていただけますか?量子コンピューティングや人工知能時代の到来を前に、企業は時代のニーズに応えるためにどのような準備をすべきでしょうか。

私たちの最初のマイルストーンは、量子コンピューティングが従来のスーパーコンピューティングを上回る力​​を持っていることを示す「量子超越性」を2019年に実証したことでした。それ以来、私たちは実際にエラー訂正のデモンストレーションができること、そしてエラー訂正が機能することを証明するためにシステムを拡張してきました。これが 2 番目のマイルストーンです。

私たちはすでにその一歩を踏み出しており、今年初めには量子エラー訂正の進歩を示す論文を発表しました。これはマイルストーン 1.5 だと考えています。

3 番目のマイルストーンは、エラー訂正論理量子ビットの実現です。量子エラー訂正を実証した後、エラー訂正された論理量子ビットを大規模に構築することが可能であることを実証できるほどの規模のシステムに拡張します。

4 番目のマイルストーンは、2 つの論理量子ビット (1,000 個の物理量子ビットから構成) を並べて量子トランジスタを形成することです。

5 番目のマイルストーンは、このシステムを 100,000 物理量子ビットまで拡張することです。

6 番目のマイルストーンは、完全なエラー訂正論理量子ビットの形成です。

今はハードウェアの黄金時代であり、システムの拡張と将来への備えに真に役立つハードウェアを発明する必要があります。

私たちは、今世紀末までにこのようなエラー訂正された量子コンピュータを実現できると信じています。私たちは、これらのマイルストーンに向けておよそ 10 年間のロードマップを持っています。

Q: Google の量子コンピューティングではオープン スタンダードやオープン ソース テクノロジーも使用されますか? あなたの仕事のどれくらいがオープン スタンダードまたはオープン ソースに基づいていますか?

はい、当社には豊富なオープンソース製品があり、Google はこの文化を非常に支持しています。私たちは、誰でもダウンロードして量子回路をプログラムし、シミュレータや量子ハードウェア上で実行できる Cirq という言語を開発しました。

さらに、リソース ライブラリでは豊富で重要なコンテンツを提供しています。その 1 つが量子化学に関連する OpenFermion です。 2 つ目は、Google の従来のコンピューティング ハードウェア上に構築された量子 TensorFlow です。当社の Tensor Processing Unit (TPU) はこのシステム上で実行され、量子シミュレーションや機械学習などの問題を処理します。

したがって、ハードウェアを除けば、他のテクノロジーは基本的にオープンソースです。私たちは、これらのオープン スタンダードの定義に協力しているいくつかのオープン ソース コンソーシアムに参加できることを嬉しく思っています。実際、私たちはすでに他の Google オープンソース プロジェクト (TensorFlow など) をフォローしています。

Q: Google の量子コンピューターは、依然として主にシリコンで作られるのでしょうか?

量子コンピュータを構築する際には、すでに確立されているシリコンという材料を使用しますが、もちろん、そのシリコンの上にアルミニウムを配置することになります。この段階では、量子アーキテクチャを探求することの方が重要かもしれないと思います。その最も強力な例は超伝導量子ビットです。

Q: コンピューティング処理に関して、Google は量子コンピューティングと人工知能の利点を組み合わせる予定ですか?量子コンピューティングは超高性能人工知能と比べてどうでしょうか?

まず、古典的なコンピューティング パラダイムと量子コンピューティング パラダイムの違いについて説明したいと思います。今日、私たちの非常に高性能な従来のコンピューティングはすべて同じカテゴリに分類されます。これは実際には、ブール論理を実行するそろばんのようなものです。量子コンピュータは、実際にはブール論理をより豊富な計算空間 (量子力学) に置き換え、従来のコンピュータでは利用できない可能性のある計算空間を探索できるようにします。つまり、量子コンピュータと古典コンピュータはまったく異なります。

私は、クラウド、コンピューター、量子コンピューターの共生について、そしてその共生によって何ができるのかを考えるのが本当に好きです。私たちのパークには、量子コンピューターのサポートと実行に役立つ多くの古典的なコンピューターがあることがわかります。私たちは、機械学習の一部の要素が実際に量子コンピュータに引き継がれ、従来のコンピューティングから量子コンピューティングに移行し、量子コンピュータが新しい技術をより速く学習または発見し、それらの新しい発見を従来のコンピュータに再び転送できる可能性があると考えています。ですから、これは本当に共生関係であり、どちらか一方を選ばなければならないというわけではなく、一緒に働くことができるのだと思います。

Q: 量子エラー訂正に加えて、量子コンピューティングを真に実現する上でのその他の大きな課題は何ですか?量子コンピューティングは一般の人々の実際の生活においてどのような問題を解決できるのでしょうか?

エラー訂正は、量子コンピュータを真に実現する上で間違いなく最大の課題の 1 つです。古典的なコンピューターで実行できるすべての驚くべきことは、基本的に古典的なコンピューティングにエラー訂正を実装したおかげです。

したがって、私たちの次のマイルストーンは、量子エラー訂正が実現可能であり、少数の量子ビットまたは数百の量子ビットで達成できることを実際に実証することです。量子エラー訂正が実証されると、それを論理量子ビットに拡張することができ、さらに論理量子ビットからエラー訂正された量子コンピュータの前の量子コンピュータに拡張することができます。したがって、今日私たちが直面している大きな課題は、量子エラー訂正があらゆる種類の量子コンピューティング アーキテクチャで機能することを証明することです。これを実際に証明した人はまだいません。ここで私たちのマイルストーンを共有できることを嬉しく思います。

量子コンピューティングは一般の人々の実際の生活においてどのような問題を解決できるのでしょうか? Google で働くことで私が気に入っているのは、Web へのログインから検索まですべてがいつか量子コンピューターによって実現されるようになることを知りながら、世界に強力なツールを提供できる機会があることです。

さらに、量子コンピュータを直接応用することで、世界の飢餓問題の解決にも役立ちます。現在、私たちは肥料として大量の窒素を使用していますが、もし本当に量子コンピュータがあれば、自然界がどのように窒素を生成するかをシミュレートするより優れた方法を計算し、より低いエネルギーコストで世界中の人々に食料を供給できるようになると考えています。

Q: 極低温環境は、Google が取り組んでいる超伝導量子ビットにのみ関係しますか?

低温環境で研究を行う必要がある理由はいくつかあることがわかっています。 1 つは、超伝導量子ビットを使用しているため、超伝導を実現してその恩恵を受けるためには、使用している金属や材料の臨界温度よりも温度が低くなるようにする必要があることです。 もう 1 つは、量子ビットの実際のエネルギーにとって重要な要素です。 私たちが設計した特定の量子ビットは、原子を作ることに似ていると思います。 私たちは実際に物理的な構造を構築することによって原子を作ります。これらの構造は、超伝導回路から作られたインダクタとコンデンサです。 次に、アルミニウム金属を敷き詰めてインダクタとコンデンサーの形を作ります。これが実際には共振器です。

これらのシステム内のエネルギーは温度に変換され、最終的には数百ミリケルビンに達することもあります。 したがって、それよりも低温にできる限り、熱雑音ではなく、量子ビットのエネルギーが最大の信号となります。 したがって、超伝導体の温度を下げる必要があり、温度を下げることによってのみ、量子信号は熱雑音よりもはるかに高くなります。

最初の量子コンピュータを使って2台目の量子コンピュータを構築することも検討しています。 私たちは、超伝導量子ビットを使用した初の量子コンピュータを実現できると信じています。 10年以内に完成する予定です。最初の量子コンピュータが構築されると、より優れた材料を見つけるのに役立ち、2 番目の量子コンピュータを構築するのに極低温冷却器は必要なくなるかもしれません。

Q: 量子コンピューターは超低温で動作するとおっしゃっていましたね。 あなたや他の科学者たちはどのように実験しているのですか? 特別な装備を着用する必要がありますか?

研究室にあるこれらの瓶をお見せします。 これらはクライオスタット内に入る個々の瓶です。 私たちがやったのは、これらすべての缶をシステムの上に重ねて配置したことです。 この非常に明るい色の真空キャニスターは、システムの最後のキャニスターであり、上部に O リングがあることがわかります。

次に、このシステムをクライオスタットに接続しました。 次に空気を排出し、これらのシステムを真空状態にします。 部屋全体を避難させます。 それから冷蔵庫のパイプを全部使って冷やしました。 これらがつながっているのは、専用の冷蔵庫で冷却される金属製のテーブルだけです。これらの技術のおかげで、凍結を心配することなく、300 ケルビン (約 27°C) でこの実験を行うことができる幸運に恵まれました。

Q: 時間結晶に関連する Google の量子コンピューターの最近の進歩について説明していただけますか?メディアの報道によると、この画期的な発見により科学者は熱力学の第二法則を回避できるようになったという。

金属と同様に、結晶は固体の状態で物理的な三次元空間に存在します。空間的な観点から見ると、結晶内の原子は一定の周期性を持って配列します。結晶構造内の原子は特定の格子に配置されており、その配置方法は多種多様です。

私たちの最新の研究は、これが時間レベルでも可能であることを示しています。それらの相互作用を通じて、結晶構造は毎回異なるパターンで動く分子の集合体の完全性を維持します。時間結晶はエネルギーを消費せず、単に周期的に異なる状態間を変化するだけです。