量子特集：未来は決して分からない

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量子コンピュータがビットコインネットワークに現実的な脅威をもたらすかどうかについて、人々は10年以上にわたって議論してきた。私が初めてビットコインを知った13年以上前から、これは真剣な話題だった。

理論と現実のエンジニアリングの両面で、私がまだ何が起きているのか理解しようとしていた未熟な頃から、かなりの進歩があった。

それ以来、2つの大きなマイルストーンが達成され、今後10年程度のうちに実用的な量子コンピュータが実際に製造される可能性に大きな影響を与えている。それが必ずしも普及の域に達する、あるいは大資本を持つ者にとって比較的容易にアクセスできるようになるということを意味するわけではない。

しかし、近い将来に複数の実用的なマシンが製造される可能性は十分にある。

最初の大きな改善はエラー訂正に関するものだ。このような極小スケールでの作業に伴う固有のノイズに対処するため、実際の計算に有用な論理量子ビットを得るには、複数の冗長な物理量子ビットを使用する必要がある。

これまでの最先端の方法はサーフェスコードであり、複数の物理量子ビットをグリッド状に束ね、その一部をチェック量子ビットとして使用し、重ね合わせを崩すことなく内部エラーが発生していないか定期的に隣接量子ビットを「チェック」する方式だった。各グリッドの空きスペースはチェック量子ビットで埋める必要がある。

このチェック量子ビットの要件により、論理量子ビット1つあたり合計で物理量子ビットが1,000個近くになることもある追加のオーバーヘッドが生じ、チェック量子ビットはすぐ隣の量子ビットしかチェックできないため、スケールが大きくなると問題になる。そのため、量子ビットの各グループには等間隔でチェッカーを配置する必要がある。

量子低密度パリティチェック（qLDPC）コードはこのボトルネックを解消し、チェック量子ビットがデバイス全体にわたって遠距離の他の量子ビットをチェックできるようにする（チップセクション間で通信するために織り込まれた配線、または中性原子設計のように原子を物理的に移動させることによって）。これにより、信頼性の高い論理量子ビットを生成するために必要な物理量子ビットの数を10分の1に削減できた。

これは軽視できるものではない。完全に機能するマシンが効率向上に向けて進歩しているわけではないかもしれないが、完全に機能する量子コンピュータの生産を支えるエンジニアリングプロセスにおける実質的な効率向上である。

2つ目は、物理量子ビットを追加するとシステム全体のノイズが増加するのではなく減少するという主張に関する、より根本的な問いに関わるものだ。これは現時点ではまだ理論の域を出ず、今日に至るまで、古典コンピュータでは不可能な計算をエンドツーエンドで実行した完全に機能する量子コンピュータは存在しないことを念頭に置く必要がある。

GoogleはSycamore（後にWillow）チップを使用した実験を行い、物理量子ビットを追加する効果を実験的に検証した。明確にしておくと、これは計算の実行のデモではなく、情報をメモリに保存して減衰させないことのデモに過ぎなかった。

彼らは17個の物理量子ビットの束、49個の物理量子ビットの束、101個の物理量子ビットの束で構成される論理量子ビットを使用し、物理量子ビット数が増えるにつれて論理エラー率、つまりデータ破損の頻度が減少することを実証した。このテストは、独立した物理量子ビットから作られた論理量子ビットが、それを構成する個々の物理量子ビットのどれよりも長くコヒーレンスを維持するという重要な閾値を超えた。

繰り返すが、これは古典マシンでは不可能な計算を実行する完全に機能する量子コンピュータへの飛躍ではないが、量子コンピュータの根底にある基本的な仮定の1つを証明する実質的な進歩である。

これらは、この問題領域でより良い解決策を見つけている唯一のものではない。人工知能はこれらのシステムの大きな構成要素となっている。量子コンピュータから情報を読み取りデコードする実際のプロセスに使用されており、これは大規模に実際に活用するための大きなボトルネックだった。

AIはまた、これらのタイプのマシン向けに最適化された新しい量子アルゴリズムの開発にも使用されており、最近のAIが数学の分野で主要な問題の解決（あるいは既存の予想の反証）に貢献していることを考えると、AIによって大きなブレークスルーがもたらされる可能性を考えるのはそれほど突飛なことではない。

異なるアーキテクチャを使用して構築される実際の物理的な量子回路の設計にも、同じようにAIが活用されている。これは実際には非常に複雑な問題で、量子レベルでのノイズを最小限に抑えるために物理空間に量子ゲートを最適に配置する方法を見つける一方で、レイテンシや非効率性、その他の問題を引き起こすほどの空きスペースを作らないようにする必要がある。

これは、必要な根本的な問題の解決に向けた進歩を大幅に加速させる可能性がある要因だ。

最終的に、私の意見では、これは1つの問いに帰着する：物理量子ビットを追加するとノイズが減少するという仮定は、計算と量子情報の能動的な操作に関して実際に成り立つのかどうか。

もしその仮定が成り立ち、近い将来に実験的に反証されなければ、今後10年以内に実用的な量子コンピュータが製造される現実的なケースがあると思う。

この問題には膨大なリソースが投入されており、問題の各部分を解決する上で重要な（圧倒的ではないが）進歩があり、根本的に何かを行う方法があるならば、人間は通常それを解明するものだ。

パニックになる時だと言っているわけではないが、可能性を軽視しないでほしい。

この記事は、Bitcoin Magazineの最新印刷版「量子特集」に掲載されている。ここでは、特集全体で探求されているアイデアの早期公開として共有している。

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