Google Quantum AIラボとWillow quantumチップについて

# はじめに
本記事はGoogleが研究開発を行っている量子コンピューター分野に関する情報をまとめたものです。
- Quantum AI labについて
- Willow quantumチップについて

https://blog.google/technology/research/behind-the-scenes-google-quantum-ai-lab/

https://quantumai.google

https://www.youtube.com/watch?v=FgZ-8NFSysA&t=10s

https://blog.google/technology/research/google-willow-quantum-chip/

# Quantum AI labについて
GoogleのQuantum AIチームは、最先端の量子コンピューティングチップであるWillowを発表しました。これは、エラーを指数関数的に修正するだけでなく、物理学の既知の時間スケール内でスーパーコンピューターよりも高速に特定の計算を処理する能力を実証しました。

これは、すべての人々の利益のために人間の知識を広げることができる信頼できる量子コンピュータを作成する量子AIチームの旅の重要なマイルストーンです。量子は、古典的なコンピューティングの限界を突破するために、宇宙の基本的な言語である量子力学を使用する機械を構築するコンピューティングへの新しいアプローチです。

Google Quantum AI ラボに足を踏み入れて、量子コンピューティングの仕組みについて詳しく学び、6つの重要な量子概念を理解してください。

1.量子コンピューティング：他のすべてが「クラシックコンピューティング」である理由
量子コンピューティングはまったく新しいコンピューティングスタイルです。ほとんどの人は古典的なコンピューティングに精通しています。1または0のいずれかのバイナリ桁（または「ビット」）は、グラフ計算機から大規模なデータセンターまであらゆるものに電力を供給し、過去半世紀にわたるほぼすべてのデジタルイノベーションの根底にあります。
量子コンピューティングは異なります。量子コンピューティングは、古典的なビットを使用する代わりに、量子ビット、または「キュービット」を使用します。

2.量子ビット：量子コンピューティングの構成要素
量子ビットは量子物理学の法則に従って行動します。バイナリ1と0の「どちらか/または」に限定される代わりに、両方のブレンドとして存在することができます。キュービットは、0と1の重ね合わせ（同時に複数の状態）で情報を保存できます。また、互いに絡み合ってさらに複雑なコンボを作成することもできます。たとえば、2つのキュービットは00、01、10、11のブレンドにすることができます。多くのキュービットを絡み合わせると、それらが存在する可能性のある膨大な数の状態が開かれ、多くの計算能力が得られます。これらの2つの特別な特性は、量子コンピューターに、通常の古典的なコンピューターよりもはるかに速く、最も難しい問題のいくつかを解決する超能力を提供します。

3.製造：量子AIチームがキュービット用のチップを製造する方法
巨大で確立された業界で生産された従来のコンピューティングチップとは異なり、量子は、Googleが超伝導集積回路を使用して自社で独自のキュービットを製造するほど新しいコンピューティングスタイルです。超伝導金属を新しい方法でパターン化することで、静電容量（電界にエネルギーを蓄電する能力）とインダクタンス（磁場にエネルギーを蓄電する能力）を備えた回路と、ジョセフソン接合と呼ばれる特別な非線形要素を形成します。慎重に材料を選択し、製造プロセスをダイヤルすることで、制御および大規模で複雑なデバイスに統合できる高品質のキュービットを備えたチップを構築できます。

4.ノイズ：量子コンピュータを妨害から保護するためのパッケージの構築
量子コンピューターはプリマドンナである可能性があります。彼らは古典的なコンピュータでは不可能な問題を解決する能力を持っていますが、「ノイズ」や電波、電磁場、熱（宇宙線でさえ！）などの障害によるエラーにも非常に敏感です。したがって、レコーディングアーティスト向けのサウンドスタジオを構築するのと同じように、量子コンピューティングプロセスの完全性を保護するために、Quantum AIチームはノイズを低減するための特別なパッケージを構築します。彼らはこの特別なパッケージにキュービットを配置し、外部の妨害から可能な限り保護しながら、外部の世界に接続します。これを達成するには、広範囲で非常に複雑な機械および電磁工学作業と、適切な材料の選択や回路用の穴を開ける特定の場所の決定などの詳細に焦点を当てる必要があります。

5.配線：量子コンピュータを制御するための経路の作成
量子コンピュータを制御するには、極端な温度変動の環境を介して信号を送信する必要があります。マイクロ波信号でキュービットを制御します。マイクロ波信号は、室温から極低温まで、特殊なワイヤを介して配信されます。これらのワイヤは、可能な限り最も効率的で正確な方法で信号を配信できるように選択されています。これらのワイヤーの中央にフィルタリングなどの要素を追加することで、キュービットが外部ノイズの影響を受けないようにさらに保護されます。

6.希釈冷蔵庫：宇宙で最も寒い場所の1つ
超伝導キュービットを動作させるには、宇宙空間よりも冷たい非常に低い温度に保つ必要があります。これらの超寒くて暗い条件に到達するには、希釈冷蔵庫と呼ばれる特別な機器が必要です。希釈冷蔵庫の中にキュービットを保管することで、超伝導金属はゼロ抵抗状態（エネルギー損失なしで電気が流れる寒冷状態）に入ることができ、熱ノイズなどの不要なものを減らすことができます。このようにして、超伝導キュービットは量子特性を維持し、量子コンピューティングのための複雑な計算を実行できます。

ウィローは、量子コンピューティングの可能性を最大限に引き出すための量子AIチームの作業の最新のステップです。ラボワークの感覚を得たので、量子コンピューティングのロードマップをチェックして、量子をラボから有用なアプリケーションに持ち出す方法を確認してください。


## Willow quantumチップについて
![Screenshot 2024-12-20 at 22.35.21.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/1707407/e1780223-c3c0-5b42-50b0-f98b6cdeeb81.png)

最新の量子チップであるWillowを発表できることを嬉しく思います。ウィローは、多くの指標にわたって最先端のパフォーマンスを発揮し、2つの主要な成果を可能にします。

1つ目は、より多くのキュービットを使用してスケールアップするにつれて、ウィローがエラーを指数関数的に削減できることです。これにより、この分野がほぼ30年間追求してきた量子エラー修正における重要な課題が発生します。

2つ目は、ウィローは5分以内に標準的なベンチマーク計算を実行しました。これは、今日最速のスーパーコンピューターの1つが10〜7億（つまり1025）年かかりました。これは宇宙の年齢をはるかに超える数字です。

ウィローチップは、10年以上前に始まった旅の重要な一歩です。私が2012年にGoogle Quantum AIを設立したときのビジョンは、量子力学（今日私たちが知っている範囲で自然の「オペレーティングシステム」）を活用できる有用で大規模な量子コンピューターを構築することでした。科学的発見を進め、有用なアプリケーションを開発し、社会の最大の課題のいくつかに取り組むことで社会に利益をもたらすことです。Googleリサーチの一環として、私たちのチームは長期的なロードマップを作成し、Willowは商業的に関連するアプリケーションへのその道に沿って私たちを大きく動かしました。

https://youtu.be/W7ppd_RY-UE

## 指数量子エラー補正 - しきい値以下
量子コンピュータの計算単位であるキュービットは、環境と急速に情報を交換する傾向があり、計算を完了するために必要な情報を保護することが困難であるため、エラーは量子コンピューティングにおける最大の課題の1つです。通常、キュービットを多く使用すればするほど、エラーが多くなり、システムはクラシックになります。

Natureで、ウィローでより多くのキュービットを使用すると、より多くのデュースエラーがあり、システムがより量子になることを示す結果を発表しました。3x3エンコードされたキュービットのグリッドから5x5のグリッド、7x7のグリッドにスケールアップし、物理キュービットのますます大きな配列をテストしました。そして、量子エラー修正の最新の進歩を使用して、エラー率を半分に減らすことができました。言い換えれば、エラー率の指数関数的な減少を達成しました。この歴史的な成果は、この分野では「しきい値以下」として知られています。量子ビットの数をスケールアップしながらエラーを減少させることができます。エラー修正の実際の進歩を示すには、しきい値を下回ることを証明する必要があります。これは、1995年にピーター・ショールによって量子エラー修正が導入されて以来、優れた課題でした。

この結果には、他の科学的「最初」も関与しています。たとえば、これは超伝導量子システムにおけるリアルタイムエラー修正の最初の説得力のある例の 1 つでもあります。これは、エラーを十分に迅速に修正できないと、完了する前に計算が台無しになるため、有用な計算に不可欠です。そして、これは「損益分岐点を超えて」のデモンストレーションであり、キュービットの配列は個々の物理キュービットよりも長寿命であり、エラー修正がシステム全体を改善しているという偽りのできない兆候です。

しきい値を下回る最初のシステムとして、これはこれまでに構築されたスケーラブルな論理キュービットの最も説得力のあるプロトタイプです。これは、有用で非常に大きな量子コンピューターが実際に構築できるという強力な兆候です。ウィローは、従来のコンピューターでは複製できない実用的で商業的に関連するアルゴリズムの実行に私たちを近づけます。

## 今日最速のスーパーコンピューターの1つで10の25乗年

ウィローのパフォーマンスの尺度として、ランダム回路サンプリング（RCS）ベンチマークを使用しました。私たちのチームによって開拓され、現在ではこの分野の標準として広く使用されているRCSは、今日の量子コンピューターで実行できる古典的に難しいベンチマークです。これは量子コンピューティングのエントリポイントと考えることができます。量子コンピューターが従来のコンピューターではできないことを実行しているかどうかを確認します。量子コンピューターを構築するチームは、RCS で古典的なコンピューターに勝てるかどうかを最初に確認する必要があります。 そうでなければ、より複雑な量子タスクに取り組むことができると懐疑的になる強い理由があります。私たちは一貫してこのベンチマークを使用して、ある世代のチップから次の世代への進捗状況を評価してきました。2019年10月にSycamoreの結果を報告し、最近では2024年10月に再び報告しました。
このベンチマークでのウィローのパフォーマンスは驚くべきものです。今日最速のスーパーコンピューターの1つである1025年または10〜10億年かかる計算を5分以内に実行しました。書き出したいのなら、10,000,000,000,000,000,000,000,000年です。この驚異的な数字は、物理学の既知の時間スケールを超え、宇宙の年齢をはるかに超えています。それは、量子計算が多くのパラレルユニバースで発生するという考えに信憑性を与え、私たちが多元宇宙に住んでいるという考えに沿って、デビッド・ドイッチによって最初に行われた予測です。
下のプロットに示されているように、ウィローのこれらの最新の結果は、これまでで最高のものですが、引き続き進歩していきます。

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## 最先端のパフォーマンス
ウィローは、サンタバーバラにある新しい最先端の製造施設で製造されました。この目的のためにゼロから建てられた世界で数少ない施設の1つです。量子チップの設計と製造には、システムエンジニアリングが重要です。シングルおよびツーキュービットゲート、キュービットリセット、読み取りなど、チップのすべてのコンポーネントは、同時に適切に設計および統合する必要があります。コンポーネントの遅延がある場合、または2つのコンポーネントが一緒にうまく機能しない場合、システムのパフォーマンスが低下します。したがって、システムパフォーマンスの最大化は、チップアーキテクチャと製造からゲート開発とキャリブレーションまで、プロセスのあらゆる側面を知らせます。私たちが報告する成果は、一度に1つの要素だけでなく、量子コンピューティングシステムを総合的に評価します。
数量だけでなく、品質に重点を置いています。なぜなら、より多くのキュービットを生産するだけでは、品質が十分に高くない場合、役に立たないからです。105 キュービットで、Willow は現在、上記の 2 つのシステム ベンチマーク、量子エラー補正とランダム回路サンプリングでクラス最高のパフォーマンスを発揮しています。このようなアルゴリズムベンチマークは、全体的なチップ性能を測定するための最良の方法です。他のより具体的なパフォーマンス指標も重要です。たとえば、量子ビットが励起を保持できる期間を測定するT1時間（重要な量子計算リソース）は現在、100 µs（マイクロ秒）に近づいています。これは、前世代のチップよりも印象的な~5倍の改善です。量子ハードウェアを評価し、プラットフォーム間で比較したい場合は、主要な仕様の表を以下に示します。

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## ウィローのその先は何ですか
この分野の次の課題は、今日の量子チップで、現実世界のアプリケーションに関連する最初の「有用で、古典的を超えた」計算を実証することです。ウィロー世代のチップがこの目標を達成するのに役立つと楽観的です。これまで、2つの別々のタイプの実験がありました。一方では、RCSベンチマークを実行しています。RCSベンチマークは、従来のコンピューターに対してパフォーマンスを測定しますが、既知の現実世界のアプリケーションはありません。一方、私たちは科学的に興味深い量子システムのシミュレーションを行い、新しい科学的発見につながりましたが、まだ古典的なコンピュータの手の届くところにあります。私たちの目標は、両方を同時に行うことです。古典的なコンピューターの手の届かないものであり、現実世界の商業的に関連する問題に役立つアルゴリズムの領域に足を踏み入れることです。

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