量子コンピューティングは実用化されるのでしょうか？もしかしたら、そうかもしれません。インテルは、比較的従来型のシリコンを用いて量子チップを製造するという同社の計画から生まれた、トンネルフォールズ量子研究チップがその解決策となると考えています。インテルは、全米の大学や国立研究所でトンネルフォールズチップの試験を行っています。
インテル研究所の量子・分子技術担当ディレクターのアン・マツウラ氏と、シニアデバイスエンジニアのラヴィ・ピラリセッティ氏に、6月15日に量子テストチップが利用可能になって以来、彼らが何を学んだかについて話を聞きました。マツウラ氏は、量子コンピューティングのシミュレーション環境を提供し、開発者に量子ハードウェア向けコードの記述方法を学習させるインテルの量子ソフトウェア開発キットの専門家です。このインタビューは、長さと明瞭性を考慮して編集されています。
ジャンプ先:
- パイロットプログラムのテストはチップの設計と製造に反映されます
- 量子コンピューティングは従来のコンピューティングと併用される可能性がある
- インテルの長期的なフルスタック量子技術計画
- インテルは社内外でQuantum SKDをテストしている
パイロットプログラムのテストはチップの設計と製造に反映されます
メーガン・クラウス：トンネルフォールズチップは、2023年6月に発表された米国陸軍研究局のコンピューティングファウンドリー向け量子ビットプログラムを通じて、メリーランド大学物理科学研究所、サンディア国立研究所、ロチェスター大学、ウィスコンシン大学マディソン校のパイロットプログラムで使用されています。どのようなことが分かってきましたか？
ラヴィ・ピラリセッティ：私たちは社内で12量子ビットのTunnel Fallsチップ（図A）の開発にかなり長い間取り組んできました。学術界を見てみると、こうしたデバイスを作るのは非常に難しいため、博士課程の学生が1つのデバイスを所有し、それが何世代にもわたって学生に受け継がれるということがよくあります。
図A
インテルでは、これらのチップを実際に製造することで、様々な大学や研究機関のパートナーに提供できるようになりました。例えば、メリーランド大学（LPS経由）、ロチェスター大学、ウィスコンシン大学、サンディア国立研究所などです。
そこで行われている作業には、社内の作業を補完する2つの種類があります。私たちが検討していることの一つは、「デバイスをどのように改善するか」です。基本的に、量子ビット、つまり個々の1量子ビットまたは2量子ビットレベルでは、システム固有のノイズに起因するエラー率が発生します。では、そのノイズの根本原因をどのように突き止めるか？そして、どのようにプロセスを改善し、ベンダーと協力して新しい種類の材料を実際に開発し、インターフェース物理特性の改善方法や、より優れた基板の構築方法を学ぶか？
私たちが検討しているもう一つの側面は、量子ビットをより良く操作する方法です。様々なアプローチがあります。例えば、12個の量子ドットをスピン量子ビットとして操作し、各ドットを独立した量子ビットとすることも、2個または3個のドットで1つの量子ビットを形成する複合エンコーディングを行うこともできます。
トレードオフは存在します。異なるエンコーディング方式を採用することで、製造インフラ内での拡張や構築がはるかに容易になるかもしれませんが、エラー率に関してはトレードオフが生じる可能性があり、最適なエンコーディング方式を決定する際には、総合的に評価する必要があります。
この研究は私たちのプログラムを補完するものであり、将来必要となるものの開発にも役立ちます。トンネルフォールズチップを実際に提供することができ、スピン量子ビットの正確なプロセスに関する研究が行われています。そのため、このケースでは、実際のチップとプロセスに直接フィードバックされるため、学習効果が大幅に高まります。
量子コンピューティングは従来のコンピューティングと併用される可能性がある
Megan Crouse:量子コンピューティングはどのような現実世界の問題を解決できるでしょうか。また、企業のビジネス ツールにどのような影響を与えるとお考えですか。
アン・マツウラ：量子コンピュータは加速器として機能します。高性能コンピューティングセンターと併用されるか、あるいは従来のコンピューティングと併用されるでしょう。
まず第一に、量子コンピューティングの進歩に伴い、CPUの販売台数が大幅に増加するでしょう。また、量子コンピューティングは従来のプロセッサの販売も加速させるでしょう。
応用分野の多くは、自然システムのシミュレーション、流体力学、材料のシミュレーションです。
私の研究分野はもともと高温超伝導で、より高い臨界温度を持つ超伝導体をどのように作り出すかを理解して、最終的には室温で抵抗のない超伝導電力線を実現するか、あるいは数十年前に議論されていたその他の空想的なアイデアを理解することです。
問題は、一部のシミュレーションが古典コンピュータでは実行不可能だったことです。これは今でも変わりません。数百万量子ビットを備えた非常に大規模な量子コンピュータがあれば、（次世代アプリケーションに）本当に必要な磁気特性と電子特性を持つ材料のシミュレーション方法を理解できるようになるかもしれません。
そういったことは、最終的には、誤り訂正機能を備えた商用規模のマシンで量子コンピューティングによって実現される可能性があります。
参照：量子コンピューティングは金融商品の評価や信用リスクの評価に活用できる可能性がある。(TechRepublic)
Megan Crouse: Intel の強みの 1 つはチップ製造ですが、量子ハードウェアという最先端の業界でその強みをどのように活用して、Tunnel Falls チップを開発したのですか?
ラヴィ・ピラリセッティ：量子コンピューティングの現状と競合他社を見てみると、超伝導イオントラップや光子量子ビットなど、様々な種類の量子ビット技術が存在します。しかし、半導体やシリコンをベースとした量子ドットベースの量子ビットも存在します。そして、これは標準的なCMOS（相補型金属酸化膜半導体）製造プラットフォームと真に互換性のある唯一の量子ビット技術です。（図B）
図B
インテルのビジョンは、トランジスタに非常によく似た量子ビットを実際に構築し、これまでの豊かな歴史とムーアの法則に基づくイノベーションの過去50年間の蓄積を活用することです。数千個のトランジスタを搭載した最初のマイクロプロセッサから、今日では数千億個のトランジスタを搭載したものへと進化を遂げました。これは、インテルの豊かな歴史を全て活用して実現したスケーリング技術です。結局のところ、この分野で商業的価値と重要性を生み出すものを実現するには、数百万個の量子ビットが必要になると考えています。
インテルの長期的なフルスタック量子技術計画
メーガン・クラウズ：インテルの量子ハードウェア担当ディレクター、ジム・クラーク氏は6月に、同社の長期戦略としてフルスタックの商用量子コンピューティングシステムの構築を挙げました。長期とはどのくらいの期間を指すのでしょうか。また、今後数年間の量子コンピューティングの取り組みについて、インテルはどのようにお考えでしょうか。
ラヴィ・ピラリセッティ：トランジスタやその他のプロセス技術の歴史を振り返ると、インテルで研究が開始されてから製品化されるまでに約10年かかります。これは、私たちが現在使用している多くの破壊的なプロセス技術にも当てはまります。量子コンピューティングのような革新的な技術となると、少なくともそれくらい先の話です。研究開発には多大な時間が費やされる必要があるのです。
私たちはスケーリングを総合的に考えています。私たちにとって重要なのは、いかにして100万量子ビットに到達するかということです。トンネルフォールズから学んだことはすべて、現在テープアウト中の次世代テストチップに応用しています。
アン・マツウラ：フルスタックに関しては、現在、Intel Quantum Software Development Kit（QSDK）をご利用いただけます。これは、シミュレーションで完全な量子コンピュータを実現できるツールです。今日から始められることの一つは、量子アルゴリズムや量子アプリケーションの開発です。この大規模量子コンピュータをどのような用途に活用するのか、理解を深めることができます。
そのため、Intel Developer Cloudを通じてIntel Quantum SDKを本日から無料でご利用いただけます。Intel Quantum SDKは、スケーラブルなコンパイラーとランタイム、そしてIntel量子ハードウェアのシミュレーション機能を備えています。これは、未来の有用な量子アプリケーションとは何かを考えるきっかけとなるだけでなく、Intelの量子技術に慣れ、使いたいと思っているユーザーコミュニティを形成することも目的としています。Quantum SDKの使用は、将来量子コンピューターを使用するのと同じ体験となるでしょう。
インテルはQuantum SKDを社内外でテストしている
Megan Crouse: Quantum SDKは、開発者がこれらのプロジェクトに取り組み、どのユースケースが自分に適しているかを見極めるためのトレーニングのように思えます。リリース以来、Quantum SDKに関するフィードバックや実際の作業から、どのようなことを学びましたか？
アン・マツウラ： Intel Quantum SDKには、他の企業とは少し異なる理由があります。私たちは社内で、シミュレーションされた量子コンピュータを使ってフルスタックのワークロードを実行するために、このSDKを使用しています。そのため、量子ビットチップチームにアドバイスできるかどうか、またその逆のアプローチが可能かどうかが徐々に分かってきています。
このことから、システム アーキテクチャについて何がわかるでしょうか。また、このような種類の量子アプリケーションやアルゴリズムを実行するために、量子ビット ハードウェアが提供できる必要がある機能はどのようなものでしょうか。
応用分野について私たちが学んでいるのは、当然のことながら、Quantum SDKが他の量子システムのシミュレーションにも使われ始めていることです。CFD（計算流体力学）だけでなく、計算化学、材料シミュレーション、線形方程式の解法などにも関心を持つユーザーが数多くいます。
メーガン・クラウズ：量子コンピューティングにおけるソフトウェアのプログラミングには課題があります。それはどのようなもので、どうすれば克服できるのでしょうか？
アン・マツウラ： Intel Quantum SDKで私たちが行ったのは、従来の開発者にとってより馴染みのあるものにすることです。これまでの量子ソフトウェアツールチェーンのほとんどは、量子物理学者向けに特化されています。そのため、私たちはC++で開発しました。C++と同じような構造を採用しています。forループや、デバッグしやすいモジュール構造などです。
しかし、結局のところ、おっしゃる通りです。量子コンピューティングはまだ研究段階のど真ん中です。量子ハードウェアを完全に抽象化し、ユーザーが利用可能な量子演算を意識する必要のないプログラミング言語の研究をさらに進める必要があります。これは私たちも、そして他の研究者も取り組んでいる研究です。量子コンピューティングをより容易にプログラミングできるようになるためには、まさに必要なことです。
