Doug FinkeおよびDavid Shawによる
昨年6月、Microsoftは量子スーパーコンピュータへのロードマップを発表した。これは以下に示す6つの段階から構成されている：
彼らは最初の段階である「マヨラナの生成と制御」を完了したことを示し、Physical Review Bに掲載された論文「InAs-Al hybrid devices passing the topological gap protocol」において技術データを提供した。我々はこのロードマップにおける後続のステップをより深く理解したいと考え、MicrosoftのTechnical FellowであるDr. Chetan Nayakと話をし、より詳細な説明を受けた。
Microsoftのトポロジカル量子ビットに関するプレゼンテーションは、現在では理論的要素が減り、はるかに実用的なものとなっている。その結果得られたロードマップは、以前に一部で示唆されていたトポロジカルに関する誇大宣伝よりも控えめなマシンを約束している。GQIはこれによってより実現可能で興味深いものになったと考えている。
まず理解すべきことは、トポロジカル量子ビットがエラーを完全に排除するわけではないということだ。むしろ、Microsoftは他の量子方式に固有のエラー率よりも1桁以上小さいエラー率を示すことができると考えている。Microsoftの現在の短期目標は、約10^-4のエラー率を持つ量子ビットを実証することである。比較すると、最高の超伝導またはイオントラップシステムは現在10^-2から10^-3の間にあり、通常は10^-4まで改善するロードマップ計画を持っている。
したがって、Microsoftは他のFTQCロードマップがターゲットとしているものとそれほど異ならないエラー率を目標としている。しかし、他の多くのプログラムがこれらの改善を実際に達成する試みにおいて停滞しているように見える時期に、GQIはこの分野の課題に対する新しい実用的なアプローチと攻略手段を歓迎する。
彼らはこの低い物理エラー率をFloquetエラー訂正コードと組み合わせて、論理エラー率10^-6という短期目標を達成する。その時点で、いくつかのアプリケーションにおいてトポロジカル量子コンピュータを量子優位性のために使用できるようになると考えている。長期的には、技術を改善し続けて論理エラー率10^-12以上を達成し、Shorのアルゴリズムのような非常に複雑な量子アルゴリズムを実行できるようにしたいと考えている。Microsoftは、これらの非常に複雑なアルゴリズムの一部が1か月以上マシン上で実行される可能性があると予想している。それは高額であるが、もし画期的な新薬の処方を生み出すことができれば、それだけの価値がある。
同時に目指すのは、小型で高速、かつ制御可能なデバイスを作ることである。彼らは数十メガヘルツの物理クロック速度を目標としており、これは最速の超伝導マシンの遅延と同様で、現在のイオントラップマシンよりもはるかに高速である。Microsoftは、数十万の物理量子ビットをサポートするプラットフォームを作成するために、大規模データセンターで数百台のマシンをネットワーク接続する必要がある技術を避けたいと考えている。
改善したいと考えている重要なパラメータは、トポロジカルギャップと呼ばれるものである。彼らの研究論文では、インジウムヒ素（InAs）とアルミニウム（Al）のヘテロ構造を使用してデバイスを製造し、20-60マイクロ電子ボルト（µeV）のトポロジカルギャップを測定した。このレベルは、超伝導ナノワイヤの端にマヨラナゼロモードがあることを実証し、トポロジカル相の物質を確実に生成できることを示すのに十分である。
エラー率とトポロジカルギャップの間には逆指数関数的な関係があることが判明している。したがって、Microsoftの研究の次の段階は、より高いトポロジカルギャップとより低いエラー率を達成するために使用する異なる材料と設計バリエーションを検討することである。
GQIは、現実的なトポロジカルギャップの達成を、Microsoftのハードウェアプラットフォームとソフトウェアシステムで非アーベルエニオンを実証しただけのものとの重要な差別化要因と見なしている。環境との相互作用や計算空間外への量子ビットの漏れに対する保護を提供するのは、このギャップである。サプライチェーンの観点から、別の主要な量子プラットフォームがIII-V族半導体を活用しているのを見るのは興味深い。Microsoftがこのレベルのパフォーマンスを超えることができるかどうかは、重要な監視点である。
量子ビットは一対のマヨラナ、例えば2本の別々のナノワイヤで構成されている。現在、ペアは一直線上に配置されており、並列ナノワイヤ配置の使用を調査しており、後にはH構造と呼ばれるより複雑な配置を検討している。量子ビット状態は2つのマヨラナのパリティ（偶数-偶数または奇数-奇数）によってエンコードされ、これは下の図でオレンジ色の点として描かれている量子ドットによって検出される。
したがって、これらの開発を完了した後、Microsoftは高品質ハードウェア保護量子ビットの作成という3番目のマイルストーンに到達することになる。高品質とは、量子ビットで10^-4のエラー率という目標を達成したことを意味する。
4番目のマイルストーンであるマルチ量子ビットシステムの作成では、約4または8個の量子ビットをまとめて小規模システムを実証する。これには量子ビットの動作を制御する制御エレクトロニクスが含まれる。
5番目のマイルストーンでは、量子ビット数をスケールして論理エラー訂正量子ビットのデモを作成する。Microsoftのアーキテクチャは、Measurement-Only Topological Quantum Computingと呼ばれる技術に基づいている。これには他の測定ベースの量子コンピューティングアーキテクチャと1つの重要な違いがあり、他の測定ベースの量子コンピュータで必要とされるエンタングルした初期状態（「ソース状態」と呼ばれる）を準備する必要がない。測定ベースの量子コンピュータも万能であり、ゲートベースの量子コンピュータで実行できるあらゆる問題を解くことができる。
この5番目のマイルストーン内で、Microsoftは先ほど説明した測定ベースの量子コンピューティングアプローチと互換性のあるFloquetベースのエラー訂正コード、特にHoneycomb codeを実装する。Floquetコードは最近接接続のみを必要とし、この段階でMicrosoftは論理量子ビット間のゲートを実証できるようになる。また、Magic State Distillationを使用してTゲートを生成することもできる。MicrosoftのFloquetコードの使用に関する追加情報は、ブログ記事や技術論文で入手できる。
GQIは、Microsoftが標準的なサーフェスコードモデルを超えたFTQCへのアプローチ、特に特定のハードウェアに合わせたコードを求めるプレーヤーの増加するグループに加わったことに注目している。新しい「動的」論理量子ビットに基づいて、Floquetコードは確かにマヨラナを使用したMBQCに適しているように見える。逆に、高接続性LDPCコードの支持者が主張する同じ利点は、すぐには提供されない。これはイノベーションのホットな領域である。
Microsoftのロードマップの最終段階は、Quantum Supercomputerと呼ばれるもので、この技術をスケールアップしてより多くの量子ビットとさらに低い論理エラー率を達成することを含む。Microsoftの目標は、10^-12以上のエラー率で100以上の論理量子ビットを持つ信頼性の高い量子コンピュータを達成することである。このレベルでは、相関材料をシミュレートするために使用されるHubbard modelのような計算を実行することが可能になると考えている。
量子ボリュームや論理量子ビット数などの既存の尺度を不十分と見なし、Microsoftは対応する論理エラー率pLにおいてrQOPS=Q x fとして計算されるrQOPSと呼ばれる新しいパフォーマンス指標を定義した。この式で、Qは論理量子ビット数、fは論理クロック速度である。Microsoftはこの指標が量子コンピュータにとって重要な3つの主要要素、規模、速度、信頼性を包含すると考えている。彼らの初期目標は、rQOPS測定値100万を達成することである。
既存の指標に対するMicrosoftの批判はさておき、これは100個の論理量子ビットを論理サイクル時間100マイクロ秒（10 khz）と10^-12以上の論理エラー率で提供するマシンに匹敵すると見なすことができる。これは「Early FTQC」のために他のプレーヤーのロードマップで想定されているマシンに匹敵すると見なすべきである。これは現在の暗号を破るために必要な「Goliath FTQC」や、よりマージナルな量子アルゴリズムから利益を引き出すために必要な「Turbo FTQC」ではないが、非常に興味深いデバイスの現実的な計画のように見える。
Microsoftが開発しているもう1つの重要な技術は、制御ロジック実装の簡素化を目標としている。彼らは量子ビットを制御するために必要なパルスを提供するcryo-CMOS制御チップを開発している。このチップは低消費電力であり、希釈冷凍機内で過度の熱を引き起こさない。Microsoftが読み出しライン数を削減するために行う技術の1つは、1000:1の比率で読み出しラインを多重化することである。
GQIは、制御プレーンと制御ロジックのスケーリングのための現実的でスケーラブルなロードマップを、多くのFTQCロードマップにとっての重要な課題と見なしている。Microsoftがここで実装する能力は、監視すべき重要なポイントである。
Microsoftが強力な量子コンピュータを達成するための明確な計画とロードマップを持っていることは明らかである。これに必要なものについて明確な目標を持つことは有益であり、同社はソフトウェアスキルとQuantum Resource Estimatorを活用して適切な目標を設定できるようにしている。しかし、最終的には、タイムリーにロードマップを維持するために、実行と詳細を正確に行うことに多くが依存するだろう。
Microsoftの量子技術とロードマップに関する詳細情報については、Microsoft Azure Quantumウェブページに投稿されたブログを推奨する。特に、非常に啓発的な2つのビデオが含まれている。1つ目はマヨラナ技術の短い高レベルの概要である。2つ目はDr. Nayakによる詳細なプレゼンテーションで、現象が本物であり、信頼性の高い量子ビットを開発するために利用できることを示すマヨラナに関する彼らの研究を説明している。
2023年9月21日
