Google、Willowチップ初の「検証可能な」量子優位性を主張

Googleは、同社の量子プロセッサWillowが初めて「検証可能な」量子の優位性、つまり量子コンピュータが実際に従来の量子コンピュータを上回る性能を発揮できることを意味する技術ベンチマークを達成したと主張した。

「この画期的な進歩は、量子コンピューティングの最初の実世界への応用に向けた重要な一歩であり、私たちはそれがどこへ向かうのか楽しみにしています」とGoogle CEOのサンダー・ピチャイ氏はX.comに書いた。

この発表には、オープンアクセスの論文が添付されていました。 自然 この記事では、Google Quantum AI と Collaborators チームがそのセットアップと調査結果について説明しました。この取り組みの中心となるのは、時間外順序相関器 (OTOC) と呼ばれる特殊な種類の量子測定です。この測定は、量子システム内で情報がどのように拡散し、スクランブルされるかを示します。それは、システムのムービーを前後に実行して、最終状態が最初の状態をどの程度「記憶」しているかを確認するようなものです。多くのことを記憶している場合、システムは秩序立っています。すぐに忘れてしまうと混乱してしまいます。

「ウィローは、世界最速のスーパーコンピューターの1つで最高の古典的アルゴリズムよりも13,000倍高速に、私たちがQuantum Echoesと名付けたアルゴリズムを実行した」とピチャイ氏はX.comへの投稿で書いた。 「この新しいアルゴリズムは、核磁気共鳴を使用して分子内の原子間の相互作用を説明することができ、創薬や材料科学における将来の用途への道を開くことができます。」

「そして、その結果は検証可能です。つまり、その結果を他の量子コンピューターで再現したり、実験で確認したりすることができます。」

両刃の剣

スートと番号で完璧に並べられた新しいトランプのデッキを用意するところを想像してください。一度シャッフルします。順序が乱れていますが、おそらくもう一度理解できるでしょう。では、それを 100 回シャッフルすることを想像してください。カードは完全にランダムで混沌とした状態になります。このプロセスは、複雑な量子システム内の情報に起こることとよく似ています。

量子システムは、電子や光子のような多数の小さな粒子で構成されており、特定の規則に従って相互に作用します。それらが相互作用すると、それらはもつれ、つまり、どれだけ離れていても、ある粒子の運命が別の粒子の運命に瞬時に結びつく特別な量子的なつながりになります。

多くの粒子を含む系では、この絡み合いの網はすぐに信じられないほど複雑になります。単一の粒子の状態など、最初の情報はすべてシステム全体に広がり、スクランブルされます。ほんの少し時間が経つと、システムは科学者がエルゴーディックと呼ぶもの、つまりカオス的なものになります。これは、これらのシステムを研究したい物理学者にとって大きな問題を引き起こします。システムの特性を測定しようとすると、通常、結果は単なるノイズになります。元の情報は完全に混合されているため、基礎となるプロセスの詳細を確認できなくなります。それは、何千回もシャッフルされたデッキを見て、カード ゲームのルールを理解しようとするようなものです。ただ言えるのは、めちゃくちゃだということだけだ。

このスクランブル効果により、量子システムの動作を支配する基本的な規則について学習することがほぼ不可能になります。量子システムを非常に強力で興味深いものにしているまさにその複雑さともつれが、量子システムを理解することを非常に困難にしています。したがって、科学者にとっての中心的な課題は、混乱を乗り越えて、何らかの方法で情報を「解読」し、ショーを運営しているルールを垣間見る方法を見つけることです。これは量子物理学の主要な目標であり、宇宙を最も基本的なレベルで理解し、強力な量子コンピューターを構築するための鍵となります。

これを解決するために、Google Quantum AI および Collaborators チームは新しい技術である OTOC を研究してきました。基本的なアイデアは、量子情報を分散させてスクランブルし、次にシステムに正確な「キック」を与え、最後にプロセス全体を逆方向に実行することです。その後、情報は開始された場所に戻って移動します。途中で蹴りをもらったせいで、戻りの情報が最初と少し違う。この「エコー」をオリジナルと比較することで、科学者は情報がたどった旅とそれを導いた規則について驚くほど多くのことを知ることができます。

研究者らは、さらに複雑なエコーを作成することによって、つまり時間反転プロセスを複数回実行することによって、他の方法では明らかにできない隠された量子結合を明らかにできると信じていました。

量子「タイムマシン」の構築

彼らのアイデアをテストするために、科学者たちは強力な超伝導量子プロセッサである Google の Willow を使用しました。このデバイスにより、量子コンピューターの基本構成要素である多くの量子ビット (量子ビット) の相互作用を正確に制御できるようになりました。彼らの主な実験は、高度にカオスな量子システムを構築し、それを研究するためにエコー トリックを使用することでした。彼らが使用した具体的な測定は二次 OTOC と呼ばれるもので、情報を時間内で 2 回完全に「往復」させます (前方、後方、前方、そして再び後方)。

彼らの方法の最も重要な部分は、彼らが見ているものが干渉と呼ばれる真の量子現象であることを証明するテストでした。

量子の世界では、粒子は波のように振る舞います。これらの波は加算されてより大きな波を生み出すこともありますが (建設的干渉)、また、互いに打ち消し合うこともあります (相殺的干渉)。これが起こっているかどうかを確認するために、研究者らは実験の途中で、各量子波の位相を効果的に揺らすランダム操作を挿入した。彼らが測定していた最終結果が、数値の合計などの単純な確率の合計である場合、これらのランダムな揺れは相殺され、何の効果もありません。しかし、結果が特定の調整された方法で加算される波に依存する場合、波を揺らすと最終的なパターンが完全に台無しになってしまいます。

このテストは、OTOC 信号が量子干渉から構築されていることを証明するために設計されました。

隠された信号を見る

に発表されたチームの結果によると、 自然、実験は成功しました。まず、研究者らは、エコー トリックが期待どおりに機能することを確認しました。彼らは、標準的な測定値が無意味なノイズに消えた後も、OTOC信号が強力なままであり、システムの特定のルールに関する情報に満ちていることを発見しました。 OTOCが混乱から情報を「スクランブル解除」することに成功したことは明らかだった。

しかし、より大きな発見は干渉テストから得られました。チームがプロセスの途中で量子波を揺らしたところ、2次OTOCの最終測定値が劇的に変化した。これは、信号が建設的な干渉の結果であることの決定的な証拠でした。量子情報が移動中にたどるさまざまな経路は、単にランダムに加算されているだけではなく、正確な量子的な方法で結合されて、より強力な信号が生成されていました。

それは、池の中のさまざまな波紋がすべて同時に正確に 1 つの場所で集まり、単一の驚くほど大きな波を作り出していることを発見したようなものでした。

この大きな波は、量子現実の隠れた層であり、システムの基本的な構成要素が時間と空間の長距離にわたってどのように相互作用しているかを示しています。研究者らは、この隠された信号をなんとか見ることができただけでなく、それが彼らが測定していた主なものであり、特別な時間反転技術なしでは見ることが不可能な複雑な多体量子効果の直接観察であることを示した。

量子の利点

主張された結果は、量子コンピューティングの将来に重大な影響を及ぼします。 1 つ目は、それが検証されれば、通常のコンピューターができることと量子コンピューターができることの間に明確な線が引かれることです。 OTOC を非常に強力な測定にしているのと同じ量子干渉により、古典的なコンピューターの計算が信じられないほど困難になります。

通常のコンピューターの場合、このプロセスをシミュレートしようとすると、計算上の惨事になります。加算したり打ち消したりする何兆もの波を追跡する必要があり、そのうちの 1 つでも小さな誤差があると、計算全体が台無しになる可能性があります。研究者らは、世界最速のスーパーコンピューターの 1 つを使用して 65 量子ビットで最大の実験を古典的にシミュレーションするには 3 年以上かかると見積もっていました。彼らの量子プロセッサはわずか数時間で答えを導き出しました。

この研究には実用的な応用例もあります。チームは、ハミルトン学習と呼ばれるプロセスにテストをどのように使用できるかを示しました。 OTOC 信号は量子システムのルールブック (つまり、ハミルトニアン) の一意の指紋のようなものであるため、それらのルールが何であるかを理解するために使用できます。実際の物理システムから OTOC を測定し、量子コンピューターで実行されているシミュレーションと比較することで、科学者はフィンガープリントが完全に一致するまでシミュレーションのルールを調整できました。

こうしてチームは、システムの基本的な特性に関する隠された詳細を「学習」することができました。これにより、研究者は新しい材料の特性を発見したり、これまで不可能だった方法で複雑な化学反応を理解したりできる可能性があります。