IBM、量子コンピュータの検証が難しくなっていると主張。これは進展だ

IBMは、量子コンピュータがテストされた古典的手法を上回る3つの実験を示した。しかし、古典コンピュータが検証できない結果を、研究者はどう信頼できるのか？

The New Stack · Jul 30, 2026

IBM says quantum computers are getting harder to verify. That’s progress.

IBMとそのパートナーは、量子コンピュータが現在の古典的手法では再現・検証できない計算を実行できる段階に達しつつあると述べている。

有用な量子コンピュータが常に「あと5年」と言われ続けていることを考えると、これは確かに進展を示しているが、同時に、量子コンピュータが正しい答えに到達したことを確認するための新しい方法が必要になりつつある。

結局、誰も検証できない結果はあまり役に立たない。

IBMとシカゴ大学の研究者グループが、木曜日（現地時間）にパートナーグループと共同で発表した3本の論文のうちの1本で述べているように、量子コンピュータが「特定のタスクにおいて古典計算に対する指数関数的な実行時間の分離を達成できる」と信頼するためには、結果を信頼する必要がある。

研究者らは「複雑性理論的な基盤を超えて、[…]スケーラブルな量子優位性の実証は、さらに2つの基準を満たさなければならない」と記している。「第一に、回路規模の拡大に対応してノイズを抑制し、実験が規模拡大とともに古典シミュレーションを回避できるようにすること[13]。第二に、ノイズが存在しても、これらの複雑な計算が高忠実度で実行されたことを信頼できるようにすること。」

IBMとそのパートナーは、これらの結果に対する信頼を構築する新しい方法を発見したと発表した。研究者らは、テストした主要な古典的手法を上回る計算を記述しつつ、結果を評価する方法を提供している。

研究を主導したのはIBMとシカゴ大学だが、Qedma、RIKEN、BlueQubit、Algorithmiqがさまざまな面で支援した。

3本の論文はいずれも今週プレプリントとして公開されており、査読は受けていない。

論文のうち1本のみが、実験を明示的に量子優位性プロトコルとして記述している。IBMはプレスリリースで、この論文で記述された研究は「量子優位性の基本基準を満たす量子コンピューティングの実証：主要な古典シミュレーション手法の到達範囲を超えた計算を実行し、計算が正確な結果を返したという信頼を提供するもの」と主張している。

他の2本の論文は、テストした古典的手法を上回ることや、量子結果への信頼を確立することについて、より慎重な表現を用いている。

3本の論文はいずれもIBMのHeron R3量子プロセッサを使用しているが、焦点は大きく異なる。1本は困難な量子回路の忠実度に対する定量的な下限を示す。他の2本は、エラー緩和、繰り返し実行、小規模ベンチマーク、および最終的に一致しなくなる古典シミュレーションとの比較に依存している。

これらの結果が成立すれば、古典マシンがすべての答えをチェックできない地点を超えて、量子コンピュータが信頼できる作業を行えるようになるという、量子コンピューティングにおける重要な転換点となるだろう。

回路に検証機能を組み込む

最初の論文では、IBMとシカゴ大学の研究者らは97個の物理量子ビットにわたって70量子ビットの回路をエンコードした。70個が計算を行い、27個の補助量子ビットがエラーを検出できるチェック測定を行った。

計算はClifford回路として開始された。これは古典コンピュータが効率的にシミュレートできるため、量子ハードウェアをテストするための良いベースラインとなる。研究者らは次に468個のTゲートを追加した。これにより量子ビットの位相が45度回転し、エラーチェックに干渉せずに古典的に再現することがはるかに困難になる。

補助量子ビットの測定で非ゼロのシンドロームが生成された場合、研究者らは実行を破棄した。これはpostselectionと呼ばれるプロセスである。70量子ビットの回路には2,415個のエンタングルCZゲートが含まれ、16.1分間で2,051個のpostselectedサンプルを生成した。

エラーチェックはまた、研究者らに95%の信頼度で0.284の忠実度下限を確立するのに十分な情報を与えた。忠実度は、マシンが生成した状態が本来生成されるはずだった状態とどれだけ一致するかを測定する。論文ではこれをデバイス依存の証明書と記述している。これは出力サンプルのみから正しさを証明するのではなく、ハードウェアのチェックからの情報を使用する。

「検証は、実験的な量子優位性を確立する上で最大の課題の1つであり続けています」と、シカゴ大学の准教授Bill Feffermanは発表の中で述べている。

論文は、この回路ファミリーのシミュレーションが標準的な複雑性仮定の下で計算的に困難であると主張している。具体的な実験について、研究者らは主要なテンソルネットワークおよびスタビライザーベースのアプローチを分析し、現在のバージョンのそれらの手法では完全な回路のシミュレーションが非現実的であると推定した。論文は、別の古典アルゴリズムがその構造を利用する可能性を明示的に残している。

ここで議論しているのは、70量子ビットの耐故障性コンピュータではないことを強調しておく価値がある。この回路はエラーを検出して影響を受けた実行を破棄する。リアルタイムでエラーを修正するものではない。このエラー検出手法には代償も伴う。エンコードされたCliffordベンチマークでは、postselectionにより有効サンプリングレートが860倍低下したが、著者らは「この速度低下は超伝導システムでは許容範囲内であり、トラップイオンおよび中性原子システムと比較しても依然として高速である」と指摘している。

古典シミュレーションが一致しなくなるとき

2番目の論文では、QedmaがIBMのプロセッサを使用して2次元Floquet Isingモデルをシミュレートした。これは、繰り返し外部パルスが印加されたときのモデル磁石の挙動を記述するものである。

これらのシミュレーションは51量子ビットと74量子ビットの両方のシステムをカバーした。計算の初期段階では、古典的結果と量子的結果は一致した。しかし、シミュレーションが続くと、チームがテストした古典的手法は収束を停止するか、矛盾する答えを返し始めた。しかし、エラー緩和された量子計算は、持続的な振動を示し続けた。

Qedmaは、古典検証が可能なままであった初期サイクルで、偏りのないエラー緩和手法を使用した。後期サイクルに到達するためには、同じ理論的保証を伴わない、よりスケーラブルな手法に切り替えた。

研究者らは次に、QuantinuumのH2およびHeliosトラップイオンプロセッサで51量子ビット計算の選択されたサイクルを繰り返した。これらはIBMの超伝導プロセッサとは非常に異なるハードウェアを使用し、エラー特性も異なる。

「ここでは実際のものをテストしています」と、Qedmaの共同創業者兼CTOのNetanel Lindnerは、クロスプラットフォーム実行について述べている。彼は、異なる種類の量子コンピュータで選択されたサイクルで完全な回路を実行し、偏りのない初期サイクル結果と組み合わせることで、強力な裏付けが得られると主張している。

ここでの核心的な考え方は、異なる量子アーキテクチャから類似の結果を得ることで、観測された振動が1台のマシンのエラーに起因する可能性が低くなるということである。ただし、論文は若干の留保を付けている。結果を漸近的・複雑性理論的な分離ではなく、実用的な古典的限界として記述し、システムサイズの数が限定的で形状が異なるため、無限に大きなシステムへの制御された外挿ができないことを指摘している。

エラー緩和による信頼

一方、3番目の論文では、AlgorithmiqとIBMが56量子ビットを使用して演算子Loschmidt echoを測定した。これは、意図的に不均一な量子系を通じた情報の移動を追跡する方法である。

Algorithmiqは、ここに現実世界での関連性を見出している。触媒や電池電解質には、界面、不純物、局所的な変動が含まれており、これらが情報、エネルギー、粒子が系内を移動する仕方に影響を与える。Algorithmiqの共同創業者兼CEOのSabrina Maniscalcoは、これらの材料を「乱雑で、不規則で、不均一」と表現している。

しかし、実験は特定の触媒や電池をシミュレートしたものではない。代わりに、チームは量子ビット格子全体で局所場を変化させ、情報が広がるための速い経路と遅い経路を作り出した。これにより、Algorithmiqが将来の材料・化学シミュレーションで必要になると考えている不均一ダイナミクスのテストケースが得られた。

異なる古典的近似法は、量子計算とパラメータ範囲の異なる部分で一致したが、どの手法も全範囲にわたって信頼できる答えを返さなかった。IBMは異なるプロセッサで計算を繰り返し、ゲートタイミングとキャリブレーションを変更し、追加のノイズを注入した。エラー緩和後、結果は一貫していた。

Maniscalcoはこれを量子優位性の実証と呼び、関連する演算子Loschmidt echoベンチマークは、コミュニティ主導のQuantum Advantage Trackerで8ヶ月間の挑戦に耐えたと述べている。この場合、「優位性」とは量子結果が既知の答えに対してチェックされたことを意味しない。注目すべきは、量子推定値が安定していた一方で、チームがテストした古典的手法は一貫した推定値を提供できなかったことである。

論文は、量子推定値を検討したアプローチの中で「最も信頼できる」と記述している。

論文はまた、2つのレベルの検証を区別している。形式的なエラー有界手法は、古典検証が可能な浅い回路で実証されている。より困難な56量子ビットの計算は、研究者らが回路に影響するノイズを意図的に変更することでテストされたヒューリスティックなグローバル再スケーリングに依存している。

「これは曲線上の1点です。ゴールラインではありません」とManiscalcoは述べている。商業的な影響はまだ先だと彼女は付け加えている。

また、これらの論文のいずれも、これらの問題に対して開発される可能性のあるすべての古典アルゴリズムを排除しているわけではないことを指摘しておく価値がある。

「帰無結果を証明することは非常に困難です」とGambettaは認めている。

コミュニティ主導のQuantum Advantage Trackerは、3つの問題ファミリーすべての回路と、選択された量子・古典的結果を公開し、研究者がより優れた古典的アプローチで挑戦できるようにしている。現在、3本の論文の完全なヘッドライン結果をアクティブなエントリとして提示しているわけではない。