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Google Willow と「マジックステート」

Google Willow がマジックステートの「培養」を実証。誤りは約40分の1、忠実度は99.99%。マジックステートとは何か、何が変わるのかを解説します。

Piotr Sobolewski1 分で読めます

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この記事の内容
  1. Google Willow は具体的に何を示したのか?
  2. そもそも「マジックステート」とは?
  3. マジックステートの「培養」はどう動くのか?
  4. 何か落とし穴はあるのか?
  5. 暗号にとって何が変わるのか?
  6. FAQ

10月15日、Google Quantum AI のチームは Google のブログで、量子プロセッサ Google Willow 上で magic state cultivation、つまりマジックステートの「培養」と呼ばれる手法が初めて実機で動いたと発表しました。成果は学術誌 Science に掲載されています。

Google Willow は具体的に何を示したのか?

Google Quantum AI の Emma Rosenfeld と Craig Gidney の投稿によると、この手法で得られたのは次の3点です。

  1. 「培養」なしで用意したマジックステートと比べて誤りが約40分の1に、
  2. T状態(マジックステートの一種)で論理忠実度99.99%、チームによればこれは記録です、
  3. Google が目指すアーキテクチャへの最初の一歩として、状態を距離3のカラー符号から距離5の表面符号へ移しました。

Decrypt によると、実験で使われたのは Willow の 105量子ビットのうち最大54個です。

そもそも「マジックステート」とは?

誤り訂正付きの量子コンピュータは、簡単な操作の一部ならかなり安く実行できます。しかし汎用的な計算には「難しい」操作も必要です。その方法のひとつが、特別な補助状態をあらかじめ用意しておくことで、これがまさにマジックステートです。この名前は、普通のコンピュータでシミュレートできる範囲を超えさせてくれるのがまさにこの状態だから、というところから来ています。

問題は、高価で使い捨てだということ。マジックステートは1回しか使えません。Google が引用している見積もりによると、その生成が量子コンピュータの**能力の最大95%**を食う可能性があります。チームによれば、このボトルネックは2004年にはすでに予見されていて、およそ20年にわたってそれを広げる方法が探されてきました。

マジックステートの「培養」はどう動くのか?

理論は2024年に Craig Gidney、Noah Shutty、Cody Jones が論文「Magic state cultivation: growing T states as cheap as CNOT gates」で示しました。仕組みはフィルターのようなものです。

  1. チップの小さな領域にノイズを含む状態を入れる、
  2. 一連の協調した測定で誤りをチェックし、失敗した試行を捨てる、
  3. 生き残った状態を「培養」、つまり非常にきれいな形まで育て、より大きな符号に移せるようにする。

面白いことに、理論からハードウェアへの道のりは平坦ではありませんでした。Google によると、Emma Rosenfeld の実験の最初のデータは「物理法則に反しているように見えた」そうです。何か月もの作業の末、原因はチームが普段使っていた測定方法の誤った前提にあるとわかりました。ScienceAlert によると、この問題を解決したのは「kickback tomography」と呼ばれる新しい手法です。

何か落とし穴はあるのか?

フィルターにはコストがかかります。最も厳しい条件の実行では、残ったのは**試行の約8%**だけで、残りは捨てられました。さらに、状態をより大きな符号へ移す際に新たな誤りも加わり、チームはこれにもまだ取り組む必要があります。

Google 自身も、実用的な計算で役立つ前に、より大きな規模でこの手法を示す必要があると強調しています。Decrypt は、RSA-2048 を破るには誤りが100億分の1程度のマジックステートが必要で、これは今回の実験のおよそ100万倍きれいな状態だと指摘しています。つまり「Q-day」はまだ遠い先です。

暗号にとって何が変わるのか?

今のところ、大きくは変わりません。Project Eleven の Alex Pruden は The Block に対し、以前のリソース見積もりがすでにこの手法を前提にしていたため、今回の結果が Q-day の予測を必ずしも動かすわけではないと語りました。彼の見方では、この実験はむしろその前提を裏づけるもので、現在の予測の信頼性が高まります。Castle Island Ventures の Nic Carter は「差し迫った脅威はない」と評価しています。

ここ数日で、量子の世界からまた大きな成果が出てきました。少し前に、Claude がゲート数を最大17分の1に減らした量子回路を設計した話を書きました。より良い回路とより安いマジックステートは、同じ問題の表と裏です。限られたハードウェアに、どうやって役に立つ計算を収めるか、という問題です。

FAQ

Google Willow とは?

Google Quantum AI の量子プロセッサです。マジックステート培養の実験では、105量子ビットのうち最大54個が使われました。

Google Willow はもう暗号を破れるの?

いいえ。RSA-2048 を破るには、今回の実験より約100万倍きれいなマジックステートと、はるかに大きなマシンが必要です。

マジックステートの論文はどこで読める?

実験の成果は Science に、2024年の理論は arXiv に掲載されています。