IBMは世界初となる汎用量子コンピュータ「Q」を発表、AIスパコンWatsonの次の基軸技術と位置づける

汎用量子コンピュータ「Q」はIBMワトソン研究所で開発された。AIスパコン「Watson」もここで開発され、クイズ番組Jeopardyのチャンピオンを破り世界を驚かせた。IBMは汎用量子コンピュータをWatsonの次の基軸技術と位置づけ、数年後に製品を出荷する。量子コンピュータは研究素材ではなく一般企業で活用できるマシンとなる。コンピュータ技術が次の世代に移ろうとしている。

出典: IBM

量子コンピュータ「 Q」

IBMは2017年3月6日、汎用量子コンピュータ (Universal Quantum Computer) を世界に先駆けて商品化することを明らかにした。この量子コンピュータは「Q」という製品名でビジネスや科学向け商用機として出荷される。(上の写真はIBM Qの外観、コンピュータは円筒形のケースに格納され冷却される。)

量子コンピュータクラウド

同時に、IBMは量子コンピュータクラウドと既存コンピュータを連携するAPI (アプリインターフェイス) を提供することも明らかにした。更に、IBMは量子コンピュータクラウド向けのSDK (開発環境) を提供する。これにより量子コンピュータ向けアプリケーション開発が容易になる。IBMは人工知能とブロックチェインに続き、量子コンピュータをクラウドで提供する。

量子コンピュータ開発ロードマップ

IBMはQのロードマップについて公開した。量子コンピュータの性能はQubit (量子ビット、コンピュータのビットに相当) の数で表される。IBMは数年後にQubitの数が50の汎用量子コンピュータを商用機として出荷する。ちなみ、現在最高速の量子コンピュータはQubitを20個搭載している。50 Qubitの量子コンピュータは既存アーキテクチャのコンピュータの性能を凌駕する次世代マシンとなる。更に、IBMの最終目標は数千Qubitを持つ汎用量子コンピュータを開発することいわれている。物理的には10万Qubitの量子コンピュータを開発することができるとされる。

IBMワトソン研究所

量子コンピュータはIBM Thomas J. Watson Research Center (IBMワトソン研究所) の量子コンピュータ研究部門「IBM Q Lab」で開発されている (下の写真)。この研究所はニューヨーク郊外のYorktownに位置し、ここで歴史に名を刻むスパコンが開発された。数値計算スパコン「Blue Gene」が開発され、標準ベンチマークで世界最高速をマークした。AIスパコン「Watson」もここで生まれ、クイズ番組Jeopardyで人間のチャンピオン二人を破った。

出典: IBM

天井から吊り下げられる構造

IBM Qは現行コンピュータとは形状が大きく異なり、天井から吊り下げられる構造となる (上の写真)。先頭の写真の通り、この部分がケースの中に格納され、ヘリウムを使ってAbsolute Zero (絶対零度、摂氏マイナス273.15度 = 0 Kelvin) 近くまで冷却され、温度を一定に保たれる。

プロセッサは絶対零度に冷やされる

構造体の先端部分は「Cryoperm Shield」と呼ばれ、ここにプロセッサ (Qubit Processor) が搭載される。構造体の温度は下に行くほど温度が下がり、プロセッサ部分は15 Millikelvinsに保たれる。(Millikelvinは絶対零度から0.001度の温度。宇宙で一番冷たいところは1 Kelvinといわれ、IBM Qは1000倍冷たい。) 写真では分かりにくいが、円柱構造体の右上からシグナルが入り先端部のプロセッサを操作する。プロセッサからのシグナルは円柱構造体の左側を天井方向に進む。

プロセッサ冷却と制御

下の写真はCryoperm Shield (先端部分) より上の構造体を示す (上の写真を裏から見たところ)。左下段の円筒状の装置は「Mixing Chamber」と呼ばれ冷却装置 (Dilution Refrigerator) の最下部となり、プロセッサを冷却する。Mixing Chamberの上の部分は「Input Microwave Lines」と呼ばれ、プロセッサに制御シグナルと読み出しシグナルを送る。シグナルはQubitを保護するために格段で減衰される。

出典: IBM

プロセッサからのシグナル

プロセッサからのシグナルは「Quantum Amplifier」に入り増幅される。このシグナルは「Cryogenic Isolator」(上の写真、右側下段の箱状の装置) に入り、シグナルはパイプの中をノイズからシールドされて進む。更に、シグナルは超電導状態のケーブル (電気抵抗が無くシグナルは減衰しない) を進み、「Qubit Signal Amplifier」という装置で再度増幅される。Qubitのシグナルは極めて弱く、それをノイズから保護し各段で増幅する構造となっている。

Quantum Processor

プロセッサは5つのQubit (下の写真、中央部の正方形の分部) から構成される。Qubitはシリコン基板に超電導メタル (Superconducting Metal) を搭載した構造となっている。IBMはこのプロセッサを2016年5月に発表している。その当時、IBMは50から100 Qubit構成の量子コンピュータの完成には10年かかるとしていた。しかし、今回の発表では50 Qubit構成の量子コンピュータを数年後に出荷すると、予定を大幅に前倒しした。汎用量子コンピュータは近未来の技術と思われていたが、一挙に目の前の製品として姿を現した。

出典: IBM

IBM Qをどう活用するか

IBMは50 Qubitクラスの汎用量子コンピュータの活用方法についても明らかにした。IBM Qは現行コンピュータで処理できない複雑なモデルを実行する。その最重要アプリケーションが化学分野における分子のシミュレーションだ。分子をモデル化するがQuantum State (量子力学で表される状態) までを構築し、分子の特性を精密に理解する。これにより新薬の開発や新素材の開発が大きく進むと期待される。

化学分野やセキュリティ分野

既にIBM研究所で複数の分子モデルをIBM Qで生成することに成功し、実証試験が進んでいる。現行コンピュータではカフェインのような単純構造の分子でもQuantum Stateまでのシミュレーションはできない。これをIBM Qで実行することで新たな知見を得ることができる。この他に、サプライチェインの最適化、金融リスクファクターの解析、暗号化技術の開発などで利用が期待される。

量子コンピュータのアーキテクチャ

量子コンピュータといってもアーキテクチャは一つではなく異なるモデルが存在する。カナダのベンチャー企業D-Waveは「Quantum Annealer」という方式の量子コンピュータを開発し、既に製品を出荷している。この方式はエネルギーレベルを変え (Quantum Fluctuationと呼ばれる)、最小値 (Global Minimum) を見つける構造となる。このため利用できるアプリケーションが限られ、Optimization (配送ルート最適化など) 専用マシンとして位置づけられる。性能面では現行コンピュータを上回ることはない、というのが専門家の共通した見解となっている。

D-Waveは量子コンピュータ技術発展に大きく寄与

D-Waveは量子コンピュータの草分け的存在で、2011年に最初の商用機「D-Wave One」を発表し、Lockheed Martinなどで使われてきた。 後継機「D-Wave 2X」 はGoogleやNASAなどで使われ、最新モデル「D-Wave 2000Q」 (下の写真) は両者が運営するQuantum Artificial Intelligence Labに設置される。D-Waveの機能には制約があるものの、量子コンピュータ技術の発展に大きく寄与し、その功績は高く評価されている。

出典: D-Wave

Universal Quantum Computerとは

IBMはQはUniversal Quantum Computerというタイプの量子コンピュータを開発している。Universal Quantum Computerとは量子コンピュータの本命で、汎用的で超高速なコンピュータを指す。適用できるアプリケーションの幅が広く、物理的には10万Qubitまで搭載でき、桁違いに高速なシステムになる可能性を持っている。但し、開発は極めて難しくコンピュータのグランドチャレンジともいわれる。最初のマシンは数年後に登場しいよいよ量子コンピュータ時代が始まる。

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