📡 Signal｜Google の Willow、マジック状態の誤りを 40 分の 1 に

Google の量子 AI 部門は 10 月 15 日、量子コンピューター Willow で「マジック状態の培養 (cultivation)」を初めて実機で動かした論文を、米科学誌 Science に発表した。培養を使うと、使わない場合に比べて誤りがおよそ 40 分の 1 になり、状態の忠実度は 99.99% に達した。

マジック状態は、量子コンピューターが普通のコンピューターを超える計算をするために消費する材料だ。その製造に機械の能力の大半が取られるという見積もりがあり、Google は今回の成果をこの詰まりを開く一歩と位置づけた。暗号資産の署名を破るのに要る水準まではまだ 6 桁の差があり、その差がどう縮むかが、耐量子署名への移行の時間割を左右する。

LiveMakers は 10 月 16 日の速報で報道を伝えた。本稿では、Google のブログと論文の本文で中身を確かめる。

Willow で何を実証したか

量子コンピューターの計算は、誤りを自ら訂正しながら進める必要がある。誤り訂正の仕組みの上で簡単に実行できる操作だけでは、普通のコンピューターで再現できる計算しかできない。その壁を越える操作 (T ゲートと呼ばれる) には、特別な量子状態を用意して使い捨てにする方法が有力とされ、この状態がマジック状態と呼ばれる。

Google のブログは、マジック状態の製造に量子コンピューター全体の能力の最大 95% が必要になりうるという見積もりを紹介している。質の高いマジック状態を安く作れるかどうかが、実用機の規模を決める。

培養は、Google の研究者クレイグ・ギドニー氏らが 2024 年に理論として提案した方法だ。まず質の粗いマジック状態を作り、検査を重ねながら少しずつ大きな誤り訂正の符号へ育て、途中で誤りが見つかった試行は捨てる。今回の実験では 105 量子ビットの Willow のうち最大 54 量子ビットを使い、カラー符号と呼ぶ小さな符号で育てた状態を、表面符号と互換のより大きな符号へ移し替えるところまでを実機で通した。

40 分の 1、99.99%、8% の読み方

論文の要旨にある数字は 3 つだ。

• 誤りは培養を使わず状態を注入しただけの場合に比べて約 40 分の 1
• 状態の忠実度は 0.9999 以上 (誤りの上限はおよそ 1 万回に 1 回)
• 検査を通って残った試行は全体の 8%

比べる相手は「培養を使わない場合」だ。スンダー・ピチャイ CEO の X の投稿は「従来の方法と比べて」と書いたが、論文とブログの比較対象は培養なしの状態注入で、本稿は論文の言い方に従う。

8% という数字に、培養の性格が出ている。試行の 9 割以上を捨て、残った 1 割弱を高い品質で得る。捨てるぶんの時間と量子ビットが費用になるので、実用機ではこの残る割合と品質の釣り合いが設計の焦点になる。

ブログは、今回は小さな規模の実証で、より大きな規模で示す必要があり、技術的な課題は多く残ると書いている。実用化の時期は示していない。論文は、装置の雑音を半分に減らせば誤りの上限はおよそ 10 万回に 2 回 (2×10^-5) まで下がるはずだと見積もった。

暗号を破る水準まで、6 桁の距離

暗号資産への含意を考えるうえで手がかりになるのは、論文の序論にある一文だ。2048 ビットの RSA 暗号の鍵を素因数分解するには、マジック状態の誤りをおよそ 100 億回に 1 回 (10^-10) まで下げる必要がある、とある。今回の到達点は約 1 万回に 1 回で、必要な水準まで 6 桁、100 万倍の開きがある。

Google のブログは暗号に触れていない。それでも、量子コンピューターの実用化を阻む資源の壁の一つが実機で動いたことは、暗号の側にとって時計の針が一つ進んだことを意味する。ビットコインやイーサリアムの署名に使われる楕円曲線暗号も、量子コンピューターで破られる型の暗号だ。

LiveMakers は 10 月 17 日の Signal で、楕円曲線を破る量子回路のゲート数を大きく減らした研究を取り上げた。攻撃に要る回路の見積もりは縮み、それを動かす部品の品質は実機で上がっている。両側から距離が詰まる以上、各チェーンの耐量子署名への移行は、量子コンピューターの完成を待ってから始める作業ではなくなっている。チェーンごとの移行の設計の違いは、10 月 12 日の Deep Dive で整理した。

次に見るもの

確かめる先は、Google Quantum AI の論文とブログだ。論文自身が次の課題として挙げているのは、実時間で T ゲートを実行すること、より大きな符号の距離での培養、表面符号へ移し替えた後の誤り訂正の扱いの 3 つだ。このどれかを示した論文が出たとき、到達した誤りの水準が 10^-4 からどこまで下がったかを見る。

もう一つは各チェーンの側の動きで、イーサリアムやビットコインの耐量子署名の提案が、量子側の新しい実証のたびに日程を前に倒すかどうかを、それぞれの開発者会議の議事で確かめる。

ことば

• マジック状態 — 誤り訂正をしながら、普通のコンピューターで再現できない計算 (T ゲート) を実行するために消費する特別な量子状態。使い捨てで大量に要るため、製造の効率が実用機の規模を左右する。
• 培養 (cultivation) — 粗いマジック状態を、検査を重ねながら大きな誤り訂正の符号へ育てる方法。誤りが見つかった試行を捨てて品質を上げる。2024 年に Google の研究者が提案し、今回初めて実機で動いた。
• Willow — Google が開発した 105 量子ビットの超伝導量子プロセッサー。誤り訂正の実証に使われてきた機体で、今回の実験では最大 54 量子ビットを使った。

🔗 一次ソース

• Google ブログ: Bringing the magic: Google breaks open a bottleneck in quantum computing (10 月 15 日・Emma Rosenfeld / Craig Gidney／誤り約 40 分の 1・忠実度 99.99%・能力の最大 95% の見積もり・大規模化が次の課題)Google
• Science: Magic state cultivation on a superconducting quantum processor (10 月 15 日掲載)science.org
• arXiv: 同論文のプレプリント 2512.13908 (2025 年 12 月 15 日投稿／Willow 105 量子ビット・最大 54 量子ビット使用・残存 8%・RSA2048 に要る誤り 10^-10・雑音半減で約 2×10^-5)arxiv.org
• arXiv: 培養の提案論文 Magic state cultivation (2024 年・Gidney / Shutty / Jones)arXiv.org
• Google Quantum AI 公式 X の告知 (10 月 15 日)
• Google Quantum AI 公式 YouTube の解説動画 (Demonstrating Magic State Cultivation on the Willow Processor)
• スンダー・ピチャイ氏の X の投稿 (10 月 15 日)