Google、量子計算の20年来の難問を突破：Willowチップで誤り率を40分の1に削減

何億円もかけて導入したスーパーコンピュータの計算リソースのうち、実に95%が内部のメンテナンスだけに消費され、実際の計算にはたった5%しか使えないとしたらどうだろうか。

量子コンピューティングの世界では、過去20年間にわたりまさにこの不条理な現実に直面してきた。10月15日、Google Quantum AIは科学誌Scienceに論文を発表し、自社のWillowプロセッサ上で「魔法状態育成」（Magic State Cultivation）の実証に成功したと明らかにした。誤り率を約40分の1に激減させ、論理忠実度99.99%を叩き出した。

マシンの95%を食い潰す「魔法状態」の罠

従来のコンピュータを超える有用な計算を実行するには、「魔法状態」（Magic State）と呼ばれる特殊な量子状態を生成し、誤り耐性を持たせる必要がある。

しかし、この魔法状態は非常に壊れやすく、一度使うと再利用できない。さらに厄介なことに、高精度な魔法状態を生成・純化する作業は膨大なリソースを浪費する。

2004年に指摘されて以来、量子コンピュータ全体の最大95%の計算能力が、この魔法状態の生成だけに占有されてしまうという試算が長らく業界の重荷となってきた。計算機の大半が下働きに追われ、本業の計算をする余力がほとんど残らない状態だった。

Willowチップで実現した超高純度フィルター

Googleチームはこの難題を、物理ハードウェア上の精密な制御で突破した。2024年にCraig Gidney氏、Noah Shutty氏、Cody Jones氏らが提唱した理論プロトコルを実機に応用した形だ。

仕組みは極めて精密なフィルターに近い。チップの局所領域にノイズ混じりの不完全な量子状態を注入し、高度に連動した一連の測定を行ってエラーを検出・排除する。不純物を丁寧に削ぎ落とすことで、極めて純度の高い状態を「育成」する。

実機での検証は平坦な道ではなかった。研究員のEmma Rosenfeld氏が初期に得たデータは、物理法則に反しているように見えるほど乱れていた。原因を数か月かけて突き止めたところ、実験室の電気機器のドリフトや温度変化によるノイズが測定系を狂わせていたことが判明した。チームは制御系を強化し、プロトコル自身を使って自身を測定する新たなベンチマーク手法を開発してこの壁を越えた。

さらに実機上で、状態をカラーコード（距離3）から表面コード（距離5）へとスムーズに移植・変換することにも成功した。

なぜ重要か

私たちは、この成果が実用的な誤り耐性量子コンピュータの実現時期を数年単位で手前に引き寄せる可能性があると考えている。

これまで実用的な量子計算を実現するには、魔法状態を生成するためだけに数百万個規模の物理量子ビットが必要になると試算されていた。今回の成果によってリソース消費を大幅に圧縮できる道筋がついたため、将来必要とされるハードウェアの規模や製造コストの想定が大きく引き下げられる可能性がある。

業界全体にとっても、超伝導方式の優位性を示す強力なアピールとなった。イオントラップや冷却原子など競合方式が台頭する中、Googleは理論設計から環境ノイズ対策、異種符号間の移植までを自社チップ上で完結させる総合的なエンジニアリング能力を見せつけた格好だ。

ただし、今すぐ商用計算が始まるわけではない。今回のデモはあくまで局所的な実証であり、数千から数万の量子ビットが同時に稼働する大規模環境で、この育成プロセスを破綻なく並列稼働させられるかが次の最大の関門となる。