中国が量子超越性を主張

昨年、Googleは、自社の量子コンピュータのプロトタイプが、研究者の推定ではスーパーコンピュータでは1万年かかる計算を数分で完了したことで、国際的な称賛を浴びました。これは量子超越性の定義、つまり量子コンピュータが従来のコンピュータでは不可能なことを実行する瞬間を満たしたことになります。

木曜日、中国を代表する量子研究グループが、サイエンス誌上で量子超越性を宣言した。「Jiuzhang」と呼ばれるシステムは、世界で3番目に高性能なスーパーコンピューターで20億年以上かかる計算結果を数分で生成した。

2つのシステムは動作が異なります。Googleは超低温超伝導金属を用いて量子回路を構築し、一方、合肥にある中国科学技術大学のチームは光子（光の粒子）を操作することで結果を記録しました。

まだ実用的な処理能力を備えた量子コンピュータは存在しない。しかし、根本的に異なる2つの形態の量子コンピュータがスーパーコンピュータを上回る性能を発揮できるという兆候は、黎明期にある量子コンピュータ業界の期待と投資を後押しするだろう。このプロジェクトに携わった理工大学の物理学教授、チャオヤン・ルー氏は、この画期的な出来事を「大規模でフォールトトレラントな量子コンピュータ」に向けた「必要な一歩」と呼んでいる。

GoogleやIBM、Microsoft、Amazon、Intelといったライバル企業、そして大手スタートアップ企業数社は、近年、量子コンピューティング・ハードウェアの開発に多額の投資を行ってきました。GoogleとIBMはインターネット経由で最新のプロトタイプへのアクセスを提供しており、MicrosoftとAmazonのクラウドプラットフォームには、Honeywellをはじめとする他社の量子ハードウェアが多数掲載されています。

量子コンピュータの潜在能力は、量子ビットと呼ばれる基本構成要素に由来します。従来のコンピュータのビットと同様に、量子ビットは0と1のデータを表すことができますが、量子力学を利用することで、両方の可能性を包含する「重ね合わせ」と呼ばれる特殊な状態を実現することもできます。十分な数の量子ビットがあれば、従来のコンピュータでは不可能な計算のショートカットが可能になり、より多くの量子ビットが連携するほど、この利点は増大します。

画像には、計画、図、プロットが含まれる場合があります

量子ビット、重ね合わせ、遠隔での不思議な作用について知りたいことすべて。

量子コンピューターはまだ世界を支配していません。なぜなら、エンジニアたちは十分な数の量子ビットを安定的に動作させることに成功していないからです。量子コンピューターが依存する量子力学的効果は非常に繊細です。Googleと中国の研究チームが量子超越性実験を実施できたのは、比較的多くの量子ビットを制御できたからです。

Googleの実験では、54量子ビットを備えた「Sycamore」と呼ばれる超伝導チップが使用され、絶対零度より数分の1度高い温度まで冷却されました。1量子ビットは動作しませんでしたが、残りの53量子ビットは、慎重に選ばれた統計問題において従来のコンピュータを上回る性能を示すのに十分でした。量子コンピュータが実用的な処理を実行するために必要な高品質量子ビットの数は不明であり、専門家の推定では数百から数百万と幅があります。

中国チームは統計的検定を用いて量子優位性を主張したが、量子データキャリアは、実験台上に敷設された光回路を鏡で誘導されながら移動する光子の形をとっている。処理の最後に読み出される各光子は、Googleのようなプロセッサ上の量子ビットを読み出すこととほぼ同等であり、計算結果を明らかにするものと考えられる。

研究者たちは、九章マシンから最大76個の光子を測定したと報告したが、平均はそれより控えめな43個だった。研究チームは、中国最強かつ世界第3位のスーパーコンピュータ「Sunway TaihuLight」上で量子システムの計算をシミュレートするコードを作成したが、結果は及ばなかった。研究者らは、九章マシンが3分強で行った処理をスーパーコンピュータで実行するには、20億年以上かかると計算している。

中国チームは潘建偉氏が率いており、同氏の大規模な研究チームは、量子技術における中国政府の優位性強化の取り組みの恩恵を受けている。彼らの成果には、量子通信用に特別に設計された衛星を用いて中国とオーストリア間のビデオ通話を安全に行うなど、記録破りの距離での量子暗号の使用を実証することが含まれる。量子力学に基づく暗号は理論上は解読不可能だが、実際には破られる可能性もある。

JiuzhangとGoogleのSycamoreとの違いの一つは、この光子プロトタイプは異なる計算を実行するために簡単に再プログラムできないことだ。設定は事実上、光回路にハードコードされている。同じく光子量子コンピューティングに取り組んでいるトロントの量子コンピューティングスタートアップ企業、XanaduのCEO兼創業者、クリスチャン・ウィードブルック氏は、今回の成果は量子数値計算を実現するための複数の実行可能な道筋があることを改めて示すものとして、依然として注目に値すると述べている。「これは光子量子コンピューティングにおける画期的な成果であり、私たち全員にとっても良いことです」と彼は語る。

学界と産業界では、様々な形態の量子ハードウェアが開発されています。中でも、超伝導回路に基づく量子ビットは、GoogleとIBMからの多額の投資もあって、最も注目されています。イオントラップと呼ばれる電界で浮遊する個々の原子に基づく量子ビットで構成された量子コンピューターは、産業界の巨人ハネウェルやIonQなどのスタートアップ企業によって提供されており、AmazonとMicrosoftのクラウドサービスを通じて利用可能です。

ウィードブルック氏は、9月に初期顧客向けに最大12量子ビットを搭載した最初のプロトタイプを公開した。同氏は、自身のチームは九章氏よりも柔軟なデバイスを製造でき、光子量子コンピュータはすぐに他の形態に追いつくと考えている。光子量子コンピュータには、多くの通信ネットワークで使用されているのと同じ部品を使用できるという利点がある。

中国チームのLu氏は、Jiuzhangのより大規模で調整可能なバージョンの開発にも取り組んでいると述べています。他の研究者たちは、同グループの超越性実験で使用された演算が、分子の特性の研究や、交通やソーシャルネットワークなどの分野で発生する数学グラフに関する問題の解決に応用できることを示しました。

光子量子コンピューティングとイオントラップの支持者はどちらも、IBMやGoogleが好む超伝導チップよりもスケールアップが容易だと主張している。なぜなら、デバイスを極低温の冷蔵庫内で構築する必要がないからだ。しかし、どの量子コンピューティングが最初に実用化されるかは誰にも分からない。「それぞれに長所と短所がある」とウィードブルック氏は言う。

2020年12月4日午後3時10分（東部標準時）更新：この記事は、中国科学技術大学の物理学教授、Chao-Yang Lu氏のコメントを加えて更新されました。

WIREDのその他の素晴らしい記事