Google の Quantum AI チームは今年初めに大きな進歩を発表しました。新世代の「Willow」量子チップ「Quantum Echoes」と呼ばれる新しいアルゴリズムの実行に成功し、世界初の「検証可能な量子超越性」を達成しました。
Googleは、このアルゴリズムがWillowチップ上で世界最速の従来型スーパーコンピュータの約13000倍高速に動作することを強調しました。これは、量子コンピューティングが特定のアルゴリズムにおいて、初めて従来のコンピューティングの限界を経験的に超えることを意味します。これは、量子コンピュータの実用化における重要なマイルストーンとみなされています。
2025年ノーベル賞受賞者ミシェル・デヴォレの研究に基づく
この画期的な技術の理論的根拠とハードウェア基盤が、2025年のノーベル物理学賞を受賞したばかりの研究成果と密接に関連していることは注目に値します。
受賞者の一人であるミシェル・デヴォレ氏は現在、Google Quantum AIの量子ハードウェア担当主任科学者であり、イェール大学の応用物理学教授でもある。
Googleは、ミシェル・デヴォレ教授と共同受賞者であるジョン・マルティニス氏（元Google Quantum AIハードウェア責任者）、そしてジョン・クラーク氏が1980年代に超伝導量子回路の研究を先駆的に進め、マクロスケールでの量子効果を制御・測定できることを実証したことを指摘しました。ジョセフソン接合を用いて構築された彼らの超伝導回路は、Googleの現在のWillowチップに搭載されている超伝導量子ビットの技術的基盤となっています。
Google Quantum AIの創設者、ハルトムート・ネヴェン氏は次のように述べています。「Quantum Echoesはハードウェア性能の飛躍的な向上を示すだけでなく、ミシェル・デヴォレ氏のような基礎研究の重要性も示しています。こうした理論的成果こそが、量子技術を真に実用化へと前進させる原動力なのです。」
「量子エコー」：「時間反転」を使って量子エコーを聞く
グーグルがネイチャー誌に発表した研究によるとリサーチ「Quantum Echoes」アルゴリズムの中核技術は、Willow チップ上で「out-of-order time correlator (OTOC)」と呼ばれるアルゴリズムを実行することです。
Googleの研究者であるヴァディム・スメリャンスキー氏は、この技術は高度な「ソナー」のようなものだと説明した。研究者たちはウィローチップ上の量子システムに正確な信号を入力し、その変化を「逆行」させて返ってくる「量子エコー」を「聞き」、信号の微妙な変化を分析する。
Googleによると、これらのエコーは建設的干渉と呼ばれる現象によって増幅されるため、測定感度が非常に高くなるとのことです。このメカニズムにより、量子状態の進化を正確に明らかにすることができ、自然界の粒子や分子の内部構造を記述することができます。
「船体の名前を見る」ような分子構造をシミュレートすることで、「検証可能な」利点を実現する
グーグルは、今回の成果と2019年に実証された「量子超越性」との最大の違いは「検証可能性」だと強調した。
2019年のランダム回路サンプリング（RCS）実験は、量子コンピュータがスーパーコンピュータでは不可能な「特定のタスク」を実行できることを実証したに過ぎませんでした。しかし、「Quantum Echoes」実験は、現実世界の物理的意味合いを持つアルゴリズムを実証しました。その結果は再現可能であるだけでなく、同レベルの他の量子コンピュータとの相互参照も可能であり、実用的なツールの基礎を築くものです。
グーグルは、これまで海底の難破船を探知するためにソナーを使用した場合、「そこに何かがある」というぼんやりとした画像しか得られなかったが、「Quantum Echoes」技術は科学者が「船体の銘板を直接見る」ことを可能にするものだと説明した。
カリフォルニア大学バークレー校との共同実験において、研究チームはこのアルゴリズムを用いて、15個および28個の原子を含む分子の構造をシミュレートすることに成功しました。その結果は、従来の核磁気共鳴（NMR）実験と一致するだけでなく、これまで観察が困難だった分子の詳細も明らかにしました。
Willowチップの高い安定性が鍵
このハードウェアの成果の鍵は、Willowチップの低いエラー率と高い安定性にあります。Google Quantum AIハードウェア担当ディレクターのユー・チェン氏は、Willowチップが105量子ビットアレイ全体で99.97%の単一量子ビットゲート忠実度と99.88%のエンタングルメントゲート忠実度を達成し、しかも非常に高速に動作していると述べました。
このアルゴリズムは Willow チップ上で非常に高い精度と複雑さで実行されるため、Google によれば、このプロジェクトでは 1 兆回の測定が実行されたとのことだ。これは、これまでどの量子コンピューターでも実行された測定の総数と比べてもかなりの割合である。
Googleは、この技術は将来、医薬品開発、材料科学、さらには量子材料設計といった分野にも応用できる可能性があると述べています。Googleは現在、ハードウェア開発のブループリントを進めており、次のフェーズ（マイルストーン3）では、長寿命でエラー訂正機能を備えた「論理量子ビット」の実現を目指しています。
