Google Quantum AIは木曜日、マジックステート・カルティベーション(魔術状態培養)と呼ばれる手法により、同社のWillowチップ上でエラーを約40分の1に削減し、史上最高となる99.99%の忠実度でマジックステートを生成したと発表しました。同社は、量子コンピューティングで最も有望とされてきた理論上のトリックのひとつを、チップ上で実際に機能するものに変えたと述べています。成果は木曜日にScience誌に掲載されました。

マジックステートは、実用的な量子プログラムを実行するために必要な使い切り型のリソースであり、Googleによると、その生成コストは量子コンピュータの能力の最大95%に上るとの推定もあります。

量子コンピュータを安価に構築できるようにすることの意義は、物理学の実験室をはるかに超えています。創薬や新素材の設計といった有益な作業が可能になる日を早めると同時に、銀行のログインやBitcoinウォレットを守る暗号を破られる日も早める可能性があるためです。

マジックステートが重要な理由

量子コンピュータは量子ビット(キュービット)で動作します。量子ビットは0と1を同時に重ねた状態を保持でき、複数の答えを並行して探索できます。しかし同時に極めて壊れやすく、わずかな熱や電気的ノイズでも量子ビットが反転して計算が台無しになります。そのため業界全体が誤り訂正(1つの情報を多数の量子ビットに分散させ、ミスを検出・修正できるようにする技術)に取り組んでいます。2024年12月に発表されたGoogleのWillowチップは、この原理を実際のハードウェア上で実証しました。誤り訂正コードをスケールアップするにつれ、エラー率は上昇するどころか低下するのです。

誤り訂正は単純な演算はうまく処理できますが、真に有用なプログラムには、同じ方法では保護できないより困難なクラスの演算も必要です。それらを実行するには、まずマジックステートを製造する必要。マジックステートはこれらの演算のための使い切り型の燃料電池のようなもので、使用した瞬間に消費されます。

高品質なマジックステートの生成は、常に非常に高コストでした。Googleによると、そのコストは量子コンピュータの全能力の最大95%に上るとの推定もあり、実際の計算に回せる余地はわずかです。

蒸留から培養へ

物理学者のSergei Bravyi氏とAlexei Kitaev氏は2004年、マジックステート蒸留という標準的な解決策を提示しました。これは多くのノイズだらけのマジックステートを、少数の高品質なものに濃縮する手法です。機能はしますが、それ以外のことを何もしない巨大な量子ビット「工場」が必要になります。

2024年、Googleの研究者らはより安価な手法としてマジックステート・カルティベーションを提案しました。工場の代わりに、この手法はフィルターのように機能します。粗いマジックステートをチップのごく一部に注入し、一連のチェックを実行して、欠陥が検出された試行をすべて廃棄し、生き残ったものを成長させ続けます。彼らの論文は、さらなる蒸留は「実際には決して必要ないかもしれない」とまで示唆していました。

「Google Quantum AIのWillowプロセッサ上で、我々のプロトコルは未培養状態と比較して驚異的な40倍のエラー削減を達成しました。また、論理的忠実度99.99%という記録的なT状態を得ました」とGoogleは発表で述べています。T状態は、誤り訂正では単独では保護できないより困難な演算のひとつであるTゲートを適用するために消費される特定の種類のマジックステートです。

すべてのチェックに合格したのは約8%の試行のみであり、チップは1つの高品質な状態を得るために、10回のうち9回以上の試行を廃棄していることになります。

暗号への影響

カルティベーションは、Gidney氏の2025年の推定——RSA-2048暗号が100万未満のノイズのある量子ビットで解読可能になり、2019年に彼が推定した2000万から20分の1に減少——を支えるトリックのひとつです。

Googleは3月にも追い込みを強め、Ethereum Foundationの研究者Justin Drake氏とStanford大学の暗号学者Dan Boneh氏との共著によるQuantum AIのホワイトペーパーで、Bitcoinの楕円曲線暗号(公開アドレスから秘密鍵を導出することを防ぐ数学)を破るコストを50万個未満の物理量子ビットと推定しました。これは昨年10月の同社Quantum Echoes実験——実ハードウェア上で初めて検証された量子高速化——に続くものです。

防御側も独自のペースで動いています。NISTは2024年8月、最初の耐量子暗号標準(大規模な将来の量子コンピュータからの攻撃に耐えうるよう設計されたアルゴリズム)を最終化し、2035年以降、連邦システムでRSAや楕円曲線暗号などの量子脆弱性のある公開鍵方式を認めないことを提案しています。

コード解読には依然ほど遠い

現時点でウォレットが狙われることはありません。実験ではWillowの105量子ビットのうち最大54個しか使用しておらず、論文は、RSA-2048鍵の因数分解にはエラー率が約100億分の1のマジックステート——Googleが今回達成したものの約100万倍の高品質——が必要になると指摘しています。

次のステップ

Googleは、次のステップはより大規模なカルティベーションの実行だと述べています。チームは、Willowの根本的なハードウェアノイズを半減させれば、マジックステートのエラーを約10万分の2まで低減できると予測しています。プロセスのエラーはチップのノイズレベルの3乗に応じて縮小するためです。注目すべきは約8%という合格率です。すべてのチェックを通過する試行が増えるほど、最終的に廃棄される試行に費やされるマシンの能力が減ることになります。