住友ゴム工業は11月27日、Quemixとの共同研究の成果として、両社が新たに開発した、量子計算結果の読み出しを迅速かつ低コストで行う手法によって、量子コンピュータによる非線形方程式の計算を指数関数的に加速させることに成功したと発表した。

  • 従来手法と新手法の違い

    モーターサイクル走行時の風の流れの読み出し結果に見る従来手法・新手法の違い(出所:住友ゴム工業)

量子コンピュータの“本当の優位性”発揮に光

量子コンピュータは、従来のコンピュータでは膨大な時間を要する計算を並列的に処理できることから、材料開発や金融、流体解析などの分野で注目されている。しかしその実用化に向けては、「読み出し問題」と呼ばれる技術的課題が残されていた。この問題は、量子計算自体は高速で実行できるものの、計算結果を数値として正確に取り出す際には膨大なコストが発生し、その過程で量子計算の優位性が失われていたというもの。そのためCAE(Computer-Aided Engineering)分野において量子計算が本来の優位性を発揮できるのかについては、学術界・産業界の双方で懐疑的な見方も少なくなかったという。

特にこの読み出し問題が深刻な影響を及ぼしていたのが、非線形方程式の解法だ。入力と出力の関係が単純な比例ではなく、複雑な相互作用を含む数式である非線形方程式は、構造物の変形や流体の渦、熱の伝わり方などといった実世界で起こる多くの物理現象を再現するCAE解析の中心的な課題で、産業界では“最も計算負荷の高い領域”のひとつともされる。その解法において、従来の量子アルゴリズムでも理論上は高速化の可能性が示されていたというが、結果を取り出すたびに状態測定を繰り返す必要があったため、前述のように実際には高速化のメリットを活かせない状況が続いていたのである。

そこで今回、住友ゴムと、テラスカイのグループ会社で量子コンピュータのアルゴリズムやソフトウェアの研究開発を行うQuemixは、両社による共同研究を通じ、このような長年の課題に対する実用的な解決策の構築に着手。その結果、量子計算の関数に含まれる波形や周期的な特徴(フーリエ係数など)を効率的に抽出し、少数の主要成分から解を再構成することで、データ量が増えても処理効率を維持でき大規模シミュレーションにも対応可能な読み出しを実現したとする。またこの新手法により、非線形方程式の計算において量子コンピュータが有する理論的な高速性を、実際の計算でも発揮することが可能に。読み出し問題を克服し指数関数的な加速を実証したとしている。

  • 非線形方程式における従来手法と新手法の計算結果の比較

    今回の実証で用いられたバーガース方程式の計算結果に見る、非線形方程式における従来手法と新手法の比較。(出所:住友ゴム工業)

今回の成果について両社は、量子計算のフェーズを“理論的可能性”から“実現可能性”へと近づける意義があるとし、特に材料特性解析や流体シミュレーション、金融リスク評価などの膨大な計算資源を必要とする領域において、量子コンピュータが実際に競争力を発揮する未来を具体的に描くことが可能になるとする。さらに今後は、量子アルゴリズムの設計において「計算手法」に加えて「読み出しプロトコル」までも含めた議論が進み、産業応用に直結する研究の加速が期待されるとした。

また今回の共同研究を通じて、高分子の構造解析にも用いられる計算手法である「高分子SCFT(Self-Consistent Field Theory)計算」のスピードにおいても指数関数的な加速が確認されたことから、住友ゴムはこの共同研究をさらに深化させることで新手法を実用化させ、新たな高機能ゴム材料の開発スピードを格段に向上させることで、同社が長期経営戦略「R.I.S.E.2035」の中で成長促進ドライバのひとつとして掲げる「ゴム起点のイノベーション創出」の実現に繋げていくとしている。