IBMは、量子プロセッサーIBM Quantum Nighthawk r2をIBM Quantum Platformで利用可能にした。今回の取り組みは、単にキュービット数を増やすのではなく、1回の実行期間中に実行できる有用な計算量を増やすことに重点を置いている。このシステムはプログラム可能な120キュービットを備え、IBMによると毎秒10万回を超える回路を実行できる。これは、毎秒約4000回の回路を実行するHeronプロセッサーの最大25倍に相当する。
同社は、この改善をキュービットを高速かつ独立してリセットする新しいアーキテクチャによるものとしている。IBMによると、Nighthawk r2は7500ゲートを超える回路でも高精度な結果を示しており、同社が2026年のロードマップに掲げる目標の一つに含めている成果を達成した。
回路間のボトルネックを解消
量子回路では、実行前にキュービットを既知の状態から開始し、測定後かつ次の回路の実行前に基底状態へ戻す必要がある。Heronを含む従来世代では、IBMはキュービットの状態を測定し、|1⟩状態にある場合に反転パルスを適用する条件付きリセットに依存していた。しかし、この方法は測定精度の影響を受け、計算空間の外へ漏れ出したキュービットには対処できないため、数百マイクロ秒に及ぶ待機時間が必要になる場合があった。
Nighthawk r2はこれを、IBMがdissipative reset gadgetと呼ぶ機構に置き換えている。各プログラム可能キュービットは、高いダイナミックレンジを持つ調整可能な結合器を介して低温環境に接続される。結合器を有効にすると、実効的な緩和時間T1は平均約200マイクロ秒から約25ナノ秒へ短縮される。同社によると、回路実行間のアイドル時間は1マイクロ秒まで短縮でき、隣接するキュービットへの干渉も生じない。
この効果は、特に大規模な反復ワークロードで顕著になる。IBMは、量子優位性を示す候補回路について初期試験を実施し、精度を失うことなく最大10倍の高速化を達成したと述べている。また同社によると、このシステムは中性子散乱シミュレーションを12倍高速化し、実験室のデータと直接比較可能なスペクトルを約60秒で生成できた。
公表されたキュービット数を上回る構成要素
このプロセッサーはプログラム可能なキュービットだけで構成されているわけではない。120キュービットに加えて、Nighthawk r2は専用の結合器218個と独立したリセット要素120個を備え、実際の量子要素の総数は458個に達する。IBMは、このシステムをこれまで製造した中で最も複雑な量子プロセッサーと説明している。追加のサポート要素には、ユーザーが直接プログラムするキュービットと同等に重要な制御性と製造技術が求められるためだ。
IBMによると、このプロセッサーはHeronと同水準のゲート精度を維持しながら、初期化エラーを約25分の1に低減する。また、リセットは隣接するキュービットに対して安全になるよう設計されている。これは、ほとんどのキュービットが4つの隣接キュービットと接続される正方格子構造において重要であり、従来の構造では隣接キュービットが2つまたは3つだった。
誤り訂正研究への直接的な意義
新しいリセット機構は回路間だけでなく、回路の実行中にも機能する。そのため、実行中にキュービットを測定する動的回路に適している。これは、誤りの検出・訂正に用いられる多くのプロトコルや、量子計算と古典計算を組み合わせるワークフローで使われる仕組みである。
IBMは、補助キュービットを繰り返し再利用できる能力が、時空間検査などの実験に加え、論理キュービットを扱う研究を支えるとしている。また研究者らは、信頼性の高い量子計算の実演に関連する、注入型Cliffordサンプリングの実験や、7500ゲートを超える回路上でProbabilistic Error Amplification技術を用いた観測可能量の推定にNighthawk r2を使用した。
実際に何が変わるのか？
今回の主な改善点はキュービット数そのものではなく、IBMがHeronプロセッサーと比較している品質水準を維持しながら、実行処理間の非生産的な時間を短縮したことにある。これにより研究者は、同じ割り当て時間内により多くの実験を行える可能性があり、反復ワークロードや動的回路で初期化に費やされる時間を削減できる。
ただし、示された性能数値と実験結果はIBM自身の発表に基づくものであり、出典には独立した比較や、測定条件およびプラットフォーム上でのシステム提供範囲に関する完全な詳細は示されていない。したがって、Nighthawk r2は量子ハードウェアの発展における重要な前進ではあるものの、それだけで実用規模のフォールトトレラント量子計算への到達を証明するものではない。むしろ、この道筋を研究するための、より高速な実験プラットフォームを提供するものだ。