量子コンピューティングをエッジへ

November, 1, 2023, Acton--量子コンピューティングにおける現在の話題の多くは、”サービスとしての量子” (QaaS) に関するものである。この市場へのアプローチでは、GoogleやIBMが開発している超伝導回路コンピュータや、IonQなどの企業のトラップイオンコンピュータなど、リソースやインフラストラクチャが大量に要求される量子メインフレームが、付随するソフトウェアとサービスをパッケージ化したクラウドベースのインストールとしてセットアップされる。
その後、ユーザはインターネット経由でこれらのマシンにデータを送信し、量子ルーチンを実行する。Yole Intelligenceの今年初めのレポートでは、QaaSがこの10年間の残りの期間に量子コンピューティングで想定される急速な成長の大部分を占めると予測されていた。

しかし、少なくとも一社の量子コンピュータ開発会社は、非常に異なるモデルで実質的なビジネスチャンスに賭けている。オーストラリアとドイツに拠点を置くディープテック(deep-tech)スタートアップQuantum Brillianceは、顧客データが実際に作成されている場所の近くに存在しうる量子コンピューティングハードウェアとソフトウェアの構築を目指している。同社は、いずれ、クラウドベースの量子メインフレームやデータセンターから解放された、ロボット工学、医用画像、宇宙ベースのアプリケーションなどのエッジデバイスに直接チップスケールの「量子アクセラレータ」を統合することを考えている。

このビジョンの鍵の1つは、ダイヤモンド窒素空孔(NV)センタでの核スピンである量子ビット(qubits)の選択にある。これらのqubitsは、光学的にアドレス指定可能で、コヒーレンス時間が長いため、室温動作が可能であるので、潜在的なエッジコンピューティングアプリケーションにとって重要な属性である。同社は、従来のアプローチよりも優れた、スケールアップの機が熟しているそのようなqubitsを製造する方法を有していると考えている。

先頃、Quantum Brillianceは、Qristalと呼ばれるソフトウェア開発キット(SDK)をリリースした。これは、潜在的な顧客が「実世界のアプリケーション」向けにハードウェアに合わせて調整された量子アルゴリズムをテストできるようにすることが狙いである。同社が目指す方向性についてさらに知るために、OPNは最近、最高収益責任者のMark Mattingley-Scottと話をした。

クラウドを超えて
Mattingley-Scott氏によると、Quantum BrillianceがQaaS以外の市場に目を向けている理由の1つは、データセキュリティに関係している。同氏によると、量子コンピューティングの「真のビジネス価値」は、企業が業界で「コア価値創造プロセスに変革的な性格を持つことができる」と結論付けた時にもたらされる。例としては、銀行業務におけるリスク裁定取引、製造業におけるロジスティクスの最適化、医薬品開発候補の選択などがある。

Mattingley-Scottによると、この種のアプリケーションは、機密性の高いガバナンス、コンプライアンス、知的財産のトピック、個人データのセキュリティ、またはその他の手の込んだ領域を中心に展開する傾向がある。「これらはまさに、地球上のどの企業もクラウドに入れたくないものである。したがって、量子コンピューティングの最初の商業的に実行可能なユースケースは、決してクラウドにはないと考えている」(Mattingley-Scott)。

リンゴとオレンジ
量子メインフレームを中心に構築されたクラウドベースのアーキテクチャの代わりに、Quantum Brillianceは、既存のCPUやGPUに匹敵する規模で、より小さな量子デバイスを検討している。これらは、“quantum accelerator”モジュールとして既存のスーパーコンピューティングセンタに統合可能である。また、分散コンピューティングやモバイルおよびエッジデバイスに展開して、ソースでコンピューティングの量子高速化を実行することもできる。

Mattingley-Scottは、そのようなモデルは、いわゆる量子アドバンテージのサイズを大きくする方法、つまり同氏の言う「古典的なリンゴと量子オレンジ」を比較する方法を変えると指摘している。

メインフレームの世界では、量子の利点は通常、量子コンピュータが、最も強力な古典的なスーパーコンピュータでさえ不可能なタスクを引き受けることができるポイントとして定義される。しかし、Mattingley-Scott氏によると、分散量子アクセラレータのシステムでは、ビジネスケースに関連する問題は、量子技術が最高のスーパーコンピュータを打ち負かすことができるかどうかではなく、量子アクセラレータ自体と同じサイズ、重量、電力要件のCPUまたはGPUを上回ることができるかどうかになる。

「それははるかに扱いやすい質問である。さらに言うと、:私には[一定数の]qubitsがある。それらが古典的な代替品よりも優れたサイズ、重量、パワーにあることが分かっている。その力を実際に活用できるか」と同氏彼は話している。

ダイヤモンドNVセンタを大規模に製造
Quantum Brillianceにとって、ダイヤモンドNVセンタはその問いに答えるためのプラットフォームである。NVセンタは、ダイヤモンド結晶格子内の点欠陥であり、2つの炭素原子が1つの窒素原子と格子空孔によって置き換えられている。NVセンタの周りに集まった核スピンは、NVセンタの電子スピンとの相互作用を介して、光学的に初期化および読み出すことができるqubitsとして機能する。

エッジデバイス量子コンピューティングのNVセンタを検討する理由の1つは、環境の変動に対する構造安定性に関係している。Mattingley-Scottによると、核スピン量子ビットは、超伝導回路やトラップイオンコンピュータでノイズを引き起こす可能性があり、これらの設備を極低温に冷却したり、複雑なレーザセットアップを採用したりする必要がある「[環境]の悪影響の多くを気にかけない」。代わりに、ダイヤモンドNVセンタqubitsは室温で動作可能である。

ダイヤモンドNVセンタの本質的な好ましい特性を超えて、Quantum Brillianceはダイヤモンドを作るためのより良い方法もあると考えている。Mattingley-Scottによると、これらのセンタを作るための従来型アプローチでは、電子グレードのダイヤモンド片に「窒素ショットガンを発射」する必要がある。これは非決定論的なプロセスであり、後で「混乱を滑らかにする」ためにアニーリングも必要になる。対照的に、Quantum Brillianceは、半導体の世界におけるリソグラフィに似た独自のプロセスを開発したため、欠陥を所定の場所に、オングストロームスケールで正確に配置できるようになった。

QDK および SDK
現在、Quantum Brillianceはベンチャーキャピタルと政府の助成金の組み合わせによって資金提供されている。今年初め、同社はBreakthrough Victoriaが率いる投資家グループが関与する1800万ドルのシードラウンドを完了した。また、ドイツ連邦教育研究省(BMBF)が資金提供する1750万ドルの3年間のプロジェクトのパートナーでもあり、ダイヤモンドNVセンタに基づくスケーラブルな量子コンピュータのデモンストレーションの開発を目的としている。

製品に関しては、現在、Quantum BrillianceはQuantum Development Kit(QDK)と呼ばれるものを提供している。QDKは2-qubitのラックマウント可能なプロトタイプであり、Mattingley-Scottは、NVセンタの量子ビットの動作のベンチマークを可能にし、同社の量子アクセラレータを既存のスーパーコンピュータセンタと統合する方法を模索するように設計されていると説明している。約1年前、オーストラリアのPawsey Supercomputing Research CenterにQuantum Brillianceユニットの1つが初期テストとして設置された。

最近では、同社のオープンソースQristal SDKの発表により、Quantum Brillianceのアクセラレータで実行される可能性のある量子アルゴリズムをテストするためのプラットフォームが提供される。Mattingley-Scottによると、これは、量子高速化の恩恵を受ける準備ができている計算化学などの専門分野で働く人々にとって特に重要である。「そこで、科学、工学、またはエンタープライズITに役立つようになると、採用されることになる」(同氏)。

エッジへ展開
最終的に、Quantum Brillianceは、ロボット工学から生物医学、自動運転車、航空宇宙に至るまでの分野のエッジコンピューティングデバイスにアクセラレータを導入したいと考えている。Mattingley-Scottの見解では、そのようなデバイスに量子高速化とエネルギー節約を提供することは大きなチャンスである。「地球上には公式に認められたデータセンタが800万ある。230億のエッジとIoTエンドポイントがある」(同氏)。

その巨大な市場に対応するための規模を得るには、とりわけ、多くの小型化が必要になる。Mattingley-Scottは、ダイヤモンドNVセンタを構築するためのQuantum Brilliance独自の「原子スケール製造」技術が鍵となると考えている。チップスケールのダイヤモンド基板上の量子ビットの数を現在の1桁の数から数100に増やすことができると同氏は考えている。半導体業界が過去半世紀の段階的な改善を通じて、単一の集積回路内の数千個のトランジスタから数十億個に増加したのとほぼ同じ方法である。

この製造プロセスの微調整と並行して、Quantum Brillianceは、大量生産を可能にするために、制御エレクトロニクス、オプティクス、およびその他のサポート技術を小型化する必要もある。これらはすべて重要なエンジニアリング上の課題であるとMattingley-Scottは認めているが、「これまでに行われていないことは何もない」。

「したがって、われわれが年間100億個を生産していると想像してみる。そのコストは、それぞれが数セントである。すでに100または200qubitsがある。それは変革をもたらす技術である。それがわれわれが向かっているところである」とMattingley-Scottは、話している。