[論文レビュー] Forecasting timelines of quantum computing

Jaime Sevilla, Christian Riedel|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2020

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 45被引用数 24

ひとこと要約

本稿では、物理的キュービット数と2キュービットゲート誤り率を統合した統一的指標、一般化論理キュービット（GLQ）を提案し、耐障害性量子計算の進捗を予測する。超伝導量子コンピュータ（2007–2020年）を用いた対数線形回帰を実施し、継続的な指数的進歩を仮定した場合、2026年以前に耐障害性量子計算の概念実証が達成される可能性は5%未塔であり、2039年以前にRSA-2048の因数分解が可能になる可能性も同様に5%未塔であると推定している。

ABSTRACT

We consider how to forecast progress in the domain of quantum computing. For this purpose we collect a dataset of quantum computer systems to date, scored on their physical qubits and gate error rate, and we define an index combining both metrics, the generalized logical qubit. We study the relationship between physical qubits and gate error rate, and tentatively conclude that they are positively correlated (albeit with some room for doubt), indicating a frontier of development that trades-off between them. We also apply a log-linear regression on the metrics to provide a tentative upper bound on how much progress can be expected over time. Within the (generally optimistic) assumptions of our model, including the key assumption that exponential progress in qubit count and gate fidelity will continue, we estimate that that proof-of-concept fault-tolerant computation based on superconductor technology is unlikely (<5% confidence) to be exhibited before 2026, and that quantum devices capable of factoring RSA-2048 are unlikely (<5% confidence) to exist before 2039. It is of course possible that these milestones will in fact be reached earlier, but that this would require faster progress than has yet been seen.

研究の動機と目的

• 大規模な耐障害性量子計算への進捗を追跡するための統一的指標の開発。
• 概念実証レベルの耐障害性量子計算を達成するまでのタイムラインの予測。
• 量子コンピュータがRSA-2048暗号を破るまでのタイムラインの推定。
• 量子コンピューティングにおける外挿的予測モデルの頑健性と限界の評価。

提案手法

• 一般化論理キュービット（GLQ）指標は、物理的キュービット数と2キュービットゲート誤り率を統合し、耐障害性量子計算への進捗を追跡するための単一の指標として機能する。
• 33台の超伝導量子コンピュータ（2007–2020年）の歴史的データを用いて、多変量対数線形回帰モデルを適用し、キュービット数と誤り率の関係をモデル化する。
• キュービット数とゲート忠実度の両方が指数的進歩を続けるものと仮定し、将来の性能を予測し、可能な進捗の上限を設定する。
• データ期間を変更（例：2007–2018年、2015–2020年）して外挿を実施し、モデルの頑健性とデータ選択への感受性を検証する。
• モデルは、スケーラブルな計算を達成する1 GLQに到達すること、およびRSA-2048因数分解能力を持つ4100 GLQに到達することをミッションとして定義する。
• 予測値と実測値を比較することで妥当性を検証し、信頼区間は分位数（5th, 50th, 95th）を用いて評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超伝導キュービットを用いた場合、概念実証レベルの耐障害性量子計算がいつ達成される見通しであるか。
• RQ2 量子コンピュータがRSA-2048を因数分解できるようになるのはいつごろか。
• RQ3 現在の量子ハードウェアにおいて、物理的キュービット数と2キュービットゲート誤り率は時間経過とともにどのように相関するか。
• RQ4 歴史的データに基づく外挿的予測モデルが、将来の進捗に対する信頼できる上限をどの程度提供できるか。
• RQ5 データ選択やモデル仮定の変更に対して、モデルの予測はどの程度頑健か。

主な発見

• 一般化論理キュービット（GLQ）指標は、物理的キュービット数とゲート誤り率を統合し、耐障害性量子計算への進捗を追跡するための単一で解釈可能な指標として成功している。
• 物理的キュービット数とゲート誤り率の間には正の相関が観察され、キュービット数と誤り率のトレードオフを示す開発フロンティアが存在することが示唆される。
• 継続的な指数的進歩を仮定した保守的仮定のもとで、2026年以前に概念実証レベルの耐障害性量子計算が達成される可能性は5%未塔である。
• 同様に、2039年以前に量子コンピュータがRSA-2048を因数分解できる可能性も5%未塔である。
• モデルの頑健性の検証では、異なるデータ期間やモデル選択に対しても予測が一貫しており、ただしデータ窓が短くなると信頼区間が広がることが確認された。
• 実測値との比較による妥当性検証では、90%予測区間が大多数の事実値をカバーしており、一部の初期予測は高い不確実性のため境界外に位置したが、全体として予測の信頼性は高い。