D-Wave Systems

概要

カナダのブリティッシュコロンビア州バーナビーに本拠を置くD-Wave Systemsは、量子コンピューティング技術の分野で先駆的な役割を担う企業です。同社は、汎用的な量子コンピュータとは異なり、特定の種類の計算問題、特に組み合わせ最適化問題の解決に特化した「量子アニーリング」と呼ばれる手法を用いるデバイスを開発・製造しています。このアプローチにより、古典コンピュータでは計算が困難な問題に対して、高速な近似解を求めることを目指しています。

製品開発と歴史

D-Wave Systemsは設立当初から、量子計算のプロトタイプ開発を進めてきました。初期の成果としては、2007年2月にカリフォルニア州マウンテンビューのコンピュータ歴史博物館で披露された16量子ビットの「Orion」システムがあります。このプロトタイプは、パターンマッチングや席配置、数独といった問題解決のデモンストレーションに使用され、量子コンピュータおよび関連システムの初の公開実演として注目を集めました。同年11月には、28量子ビットのシステムも発表されています。これらのデバイスのチップ製造は、NASAのジェット推進研究所（JPL）内にあるマイクロデバイス研究所で行われました。

D-Waveは、2011年5月11日に、世界初の商用量子コンピュータと銘打ち、「D-Wave One」を発表しました。このシステムは128量子ビットを搭載し、量子アニーリングによる最適化問題の解決に特化していました。D-Wave Oneは、その後の製品開発の基礎となりました。

「D-Wave Two」は、2012年初頭に公開された512量子ビットを持つシステムです。2013年5月には、NASA、Google、大学宇宙研究協会（USRA）が共同で、このD-Wave Twoを研究設備として活用する「Quantum Computing AI Lab」を設立することを発表しました。ここでは、機械学習を含む様々な研究への応用が期待されました。また、航空宇宙大手であるロッキード・マーティンも、2011年にD-Wave Oneシステムを導入し、自社の複雑な計算問題への応用を目指すなど、産業界での利用も進みました。ハーバード大学の研究チームは、D-Wave Oneを用いてタンパク質の折り畳み問題を解くなど、科学研究においても活用事例が報告されています。

技術の特徴

D-Waveのプロセッサは、プログラム可能な超伝導集積回路を基盤としており、多数の超伝導磁束量子ビットから構成されています。これらの量子ビットは、微小な超伝導閉回路を基本素子とし、電流が右回りか左回りかという状態を利用することで、重ね合わせ状態を実現します。このアーキテクチャは、汎用的な量子ゲートモデルではなく、量子アニーリングアルゴリズムをハードウェアレベルで実行するために特化して設計されています。

量子アニーリングは、古典的なシミュレーテッドアニーリングに量子効果を取り入れた最適化手法です。D-Waveのデバイスは、この手法を直接物理的に実装することで、組み合わせ最適化問題の効率的な解決を目指します。超伝導素子を使用しているため、演算自体にかかる消費電力が極めて少ないという特徴も持ち合わせています。

性能と量子性に関する議論

D-Wave Systemsの発表は、量子計算分野において設立当初から活発な議論を巻き起こしました。特に、そのデバイスが真に量子効果を利用しているのか、そして古典コンピュータと比較して計算速度の優位性があるのかという点について、多くの研究者や専門家が様々な見解を示しました。

2007年頃には、カリフォルニア大学バークレー校のUmesh Vazirani教授など一部の研究者から、D-Waveの主張する古典アルゴリズムに対する高速化に疑問が呈されました。彼らは、仮にD-Waveのデバイスが量子コンピュータであったとしても、特定の条件下でのみ高速化が期待される断熱量子計算の理論に基づけば、古典コンピュータを超える速度は得られないのではないかと指摘しました。

しかし、2011年5月には、D-Waveのチップが量子計算に必要な量子力学的性質の一部を持つことを示す研究論文が学術誌Natureに掲載されました。これは、デバイスの「量子性」に関する重要な証拠と見なされましたが、量子もつれの決定的な実験的証拠が欠けているといった疑問も依然として残りました。

性能についても、D-Wave Twoを用いた特定の最適化問題において、従来の古典コンピュータ上のアルゴリズムよりも3600倍高速であったという比較結果が発表された一方で、比較に使用された古典アルゴリズムの選定や、より最適化された古典アルゴリズムを用いた場合には同等あるいはそれ以上の性能が出るとする反論も提示されました。

かつては「主任D-Wave懐疑論者」を自称していたMITのScott Aaronson教授も、Nature論文の発表などを踏まえ一時的に見解を軟化させたものの、その後再び懐疑的な立場に戻るなど、議論は継続しました。

量子アニーリングの理論を提唱した一人である西森秀稔教授は、2015年時点で、量子アニーリングには古典的手法に対する高速化の可能性が明確に示されているとし、またD-Waveのマシンが量子効果を利用しているかどうかの論争は「ほぼ決着がついている」との見解を示しています。

このように、D-Wave Systemsはその革新的な技術と商用化への取り組みを通じて、量子コンピューティングの実用化に向けた道を切り開いてきましたが、その道のりは学術界での厳しい検証と議論と共に歩んでいます。

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