Googleが「量子超越性を実証した」と主張する量子プロセッサー「Sycamore」(写真:Googleのブログより)
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 2019年9~10月、新聞各紙やテレビは量子コンピューターの話題で持ちきりになった。米Googleが量子ゲート型量子コンピューターを開発し、その計算能力がスーパーコンピューターをはるかに超える「量子超越性」を実証したとする論文を大手紙に事実上リークし、期待を高めた上で実際に論文発表したからだ1)。「人類は超計算を手にした」と派手な見出しが躍ったメディアもあった。

「200秒」VS「1万年」が根拠

 Googleの発表内容は、同社が開発した54量子ビットの量子プロセッサーで、量子乱数生成のシミュレーションを53量子ビットを用いて回路深度20の規模で実行したところ、200秒の計算時間で済んだ。対して、現在最大規模のスーパーコンピューターである米IBM製「Summit」で同じ計算をしたところ、計算はほとんど進まず、完了までに推定1万年かかることが分かったとする(図1)。「この劇的な高速化は、特定の計算に関する量子超越性の実証である」(論文要旨)。「200秒」VS「1万年」という対比が、その論拠の根幹になっている。

回路深度=量子ゲート型量子計算において、量子ビットに施される演算操作の最大回数。
図1 Googleの主張を理論的枠組みから根こそぎ反証
Googleが発表した「量子超越性実証」の判定基準および結果(a)と、IBMによる反証など(a、b)。量子計算の計算速度がスーパーコンピューターの何倍なら量子超越といえるかに明確な基準はないが、Googleが示した基準では、スパコンで「2日半」で計算できると量子超越とはとても言えない。回路深度を増やすとスパコンでは指数関数的に計算時間が増えるという予測も、IBMの計算では成り立たない(b)。(図:(a)はGoogleの図に本誌がIBMの計算結果などを加筆、(b)はIBM)
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本来の1/150万の性能で評価

 しかし、実は「ノーゴール」だった。論文発表の2日前には既に、IBMがGoogleの「実証」を反証する論文やブログを発表していたからだ2)

 IBMの指摘は、GoogleによるSummitでの計算は演算中に主記憶(RAM)しか使わない不自然な計算であるというもの注1)。IBMが、ハードディスクを活用し、さまざまな計算高速化のアルゴリズムも使って同じ計算をシミュレーションしたところ、最悪でも2日半で済むことが分かったとする注2)

注1)当面の量子コンピューターは、外部メモリーを使わずに量子ビットがすべての状態を保持しながら演算を進める。その情報量は、量子ビットがN個あると最大2(N−3)バイトと極めて大きい。このこと自体を古典的計算で再現する場合は、RAMしか使わない設定もあり得る。しかし、それでは量子超越性は示せず、「古典的計算では、量子計算の直接の真似は難しい」といえるだけである。IBMによれば、この逆、つまり古典的計算にできて量子計算にできない計算もあるという。
注2)IBMの計算手法に特殊なものはなく、GoogleやGoogleの論文を査読した研究者などからも、正対した反論は出されていない。IBMはスーパーコンピューター開発の老舗でSummitの開発元でもある。その指摘が間違いである可能性は非常に低い。

 IBMの指摘が正しいとすると、GoogleはSummitを本来の約150万分の1以下の性能で動かしていたことになる。まるでパソコン並みの性能だ。

 スーパーコンピューターはシステムが巨大であるだけに、解くべき問題に合わせてコードなどのチューニングを繰り返す、あるいはハードウエアまでも最適化することで初めて本来の性能を発揮するマシンである。Googleはそれをしなかったばかりか、むしろ不利になる条件を課して得た計算結果を、量子超越性実証の論拠にした。

 量子超越性は、古典的コンピューターではどうやっても実現できない計算速度を量子コンピューターが示すことが定義。そのため、1万年より大幅に短い計算時間で済むことを1例でも示せば立派な反証になる注3)

注3)量子コンピューターの研究者の中には「IBMの指摘は認めるが、2日半より200秒の方がまだ(1000倍)速い」という意見もある。しかし、2日半はあくまで「最悪ケースの見積もり」(IBM)で、「GPUなどへのアクセスを最適化するなどハードウエアもチューニングすれば、計算時間はもっと短くできる」(IBM)。2日半を次の“論拠”にすることもできないのである。

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