BlueQubit、IBM のクラウド向け Nighthawk r2 チップでランダム回路サンプリングの優位性を主張

BlueQubit の研究者は、EPFL と XPRIZE Foundation に所属する共著者とともに、クラウドにアクセスできる人なら誰でも使える商用 IBM プロセッサー上で、ランダム回路サンプリングにおける量子計算上の優位性を報告した。プレプリントによると、第 2 世代の Nighthawk r2 アーキテクチャーを基にした 120 量子ビットの IBM ibm_phoenix チップでの 61 量子ビット実験は、19 秒でサンプル集合を生成した。これをスーパーコンピューター Frontier で再現するには 110 年かかると推定されている。

発表内容

論文 Quantum computational advantage in random-circuit sampling on IBM superconducting quantum computers は arXiv で公開され、10 月 28 日に Quantum Computing Report が報じた。著者らは、回路がベンチマーク専用の較正なしに標準的な Qiskit のクラウドワークフローでコンパイル・実行されたことを強調している。著者らの知る限り、専門家でない利用者の大半が再現できる、商用かつ広く利用可能なプロセッサーでのこの種の実証は初めてだという。回路、スクリプト、100 万サンプルの全データは GitHub で公開されている。

技術的な詳細

ランダム回路サンプリングでは、ランダムなゲートの層を実行してビット列を読み出す。課題は、古典コンピューターが同等の品質のサンプルを生成できるかどうかだ。チームは最新の較正データに基づき、正方格子チップ上の 61 量子ビットと 102 カプラーを選び、ネイティブの CZ ゲートを 4 色のブリックワークパターンで適用した。

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忠実度は、ミラーベンチマークとパッチ型交差エントロピーベンチマーク（XEB）という 2 つの独立した手法で推定され、すべての深さで一致した。918 個の CZ ゲートを含む 36 サイクルの基準深さで、推定忠実度は約 2.3 × 10⁻³ だった。この深さは、この規模の系でテンソルネットワークシミュレーションのコストが深さとともに増えなくなる点にあたる。著者らのコストモデルでは、100 万のビット列を古典的に生成するには約 1.2 × 10²⁷ 回のマシン演算、つまり Frontier でおよそ 110 年が必要になる。実験全体で使ったプロセッサー時間は約 11 分だった。

論文は IBM のチップ世代間の進歩も測定している。サイクルあたりの忠実度は、第 1 世代の Nighthawk r1 デバイス（ibm_miami）の 0.836 から r2 の 0.872 に向上し、深い回路では 1 桁以上の差になる。著者らは、回路を分割して XEB スコアを偽装しようとする「切断」攻撃も試したが、36 サイクルで実験スコアに届いたものはなく、最も強力なものでも約 10 分の 1 にとどまった。

なぜ重要か

実験は通常のクラウドアクセスで行われ、回路・データ・コードが公開されているため、他の利用者は主張を鵜呑みにするのではなく再現を試みることができる。また、IBM の超伝導ハードウェアが 2 つのチップ世代の間にどれだけ改善したかを具体的に示している。

今後の注目点

著者らは主張の限界を慎重に述べている。古典側の推定はメモリー無制限と単一振幅の縮約を前提としており、近似手法、多振幅手法、スライシング、行列積状態によって古典コストが下がる可能性があると指摘している。実際、過去の優位性実験でもそうしたことが起きてきた。この研究はプレプリントであり、次の試金石は査読と、古典シミュレーションのグループが差を縮めようとする取り組みになる。