中国が量子コンピューティングの超大国になるのに最適な立場にある理由

2016年8月、中国はゴビ砂漠の発射台から世界初の量子衛星を宇宙に打ち上げました。高度500kmで地球を周回する「墨子号」は、力強い意志のシグナルであり、次の世紀を決定づける可能性のある技術競争のスタートを切る号砲です。

量子コンピューティングには大きな可能性があります。1か0のどちらかであるビットの代わりに、量子コンピュータは複数の状態を取り得る量子ビットを使用します。つまり、従来のコンピュータよりも少ないエネルギーでより多くの情報を保存できるため、特定の化学反応のシミュレーション、素数の計算、複雑な暗号の解読など、通常のコンピュータでは困難な複雑な計算に適しています。

中国の研究者たちは、墨子（Micius）を用いて、異なる種類の量子技術を用いて、解読不可能な新しい形態の安全な通信を開発しようと試みています。墨子は、安全な通信の暗号化と復号化に使用される暗号鍵の共有に利用されています。

通常、これらのキーは傍受されやすいが、墨子は量子重ね合わせ状態の光子を使用するため、内容を変えずに読み取ることは不可能であり、この方法で送信されたキーをコピーしたり傍受したりできない。

2017年、科学者たちはこの衛星を用いて、中国とオーストリアの科学者間で量子暗号化ビデオ通話を行いました。墨子号の打ち上げ時、プロジェクトの主任研究者である潘建偉氏は、このプロジェクトの重要性を次のように要約しました。「私たちは世界的な量子宇宙競争の火蓋を切ったと思います」と潘氏は述べました。中国は、この競争にどうしても勝ちたいと考えています。

量子技術の開発競争は熾烈です。中国や米国といった国々に加え、Google、NASA、Microsoft、ロッキード・マーティン、アリババといった世界有数の企業や組織も参加しています。

量子飛躍

量子技術は、最も強力な暗号を破り、計算能力を大幅に向上させる可能性があり、政治的・経済的に甚大な影響を及ぼす可能性があります。この技術は、金融データや軍事機密の保護に用いられる暗号を容易に解読できる可能性があります。そして、これまで欧米の研究者が独占してきたこの分野において、中国は猛烈な勢いで先行しています。

中国政府は量子を「メガプロジェクト」の重点分野とし、量子通信と量子コンピューティングにおける大きな飛躍的進歩を目指している。報道によると、合肥市に量子情報科学国家実験室を建設するため、100億ドルを投資するとのことだ。

「過去5年間、中国は量子技術に多額の投資を行ってきました」と、ランカスター量子技術センター所長であり、成都の基礎科学・先端科学研究所の非常勤教授でもあるロバート・ヤング氏は語る。「中国は主導権を握り、しかも比較的迅速にその役割を果たしました。」

中国企業による量子コンピューティング関連の特許出願数は、ここ数年で急増しています。パティンインフォマティクスによると、2014年には米国と中国の出願件数はほぼ同数でしたが、2017年には中国がほぼ2倍の出願件数に達しました。

中国の量子技術への野心は、人工知能（AI）への同様の投資と類似しており、その根底には、今後数十年における技術リーダーとしての地位を自国に確立したいという願望が一部ある。「中国は基本的にデジタル革命に乗り遅れ、それが中国自身と経済に大きな後退をもたらした」とヤング氏は言う。「再び油断したくないのだ。」

潘建偉氏も同意見だ。「現代情報科学において、中国は学習者であり、追随者でもありました」と彼は言う。「今、量子技術においては、全力を尽くせば主要プレーヤーの一角を占めることができるでしょう。」潘氏は科学誌ネイチャーから「量子の父」と称され、中国の量子技術の進歩を支える二人の重要人物の一人である。もう一人はエドワード・スノーデン氏だ。

量子の世界

2013年、スノーデン氏によるNSAからのリークにより、米国諜報機関の中国における能力と活動の全容が明らかになった。ワシントンのシンクタンク「新アメリカ安全保障センター」の分析によると、これらの暴露は中国政府を動揺させ、新たな自国製のサイバーセキュリティ対策を模索するきっかけとなった。

だからこそ、中国における初期の進歩の大部分は、墨子（Micius）プロジェクトや、山東省北部の地上量子ネットワークなどを通じて、安全な量子通信の分野に集中している。「量子通信の分野では、我々は世界の同業他社よりも先を進んでいます」とパン氏は語る。彼はスノーデン氏の暴露によって、自身の研究に新たな刺激と緊急性がもたらされたと述べている。

量子コンピューティングに関しては、状況はもう少し複雑です。量子コンピューターの構築は非常に困難で繊細な作業です。なぜなら、わずかな環境からの干渉によって、量子ビットが重ね合わせ状態から外れてしまう可能性があるからです。重ね合わせ状態は、複雑な確率的経路を描くのに非常に役立ちます。

量子コンピューターは非常に厳重に保護する必要があり、その構築に使用される技術のほとんどは絶対零度に近い温度で維持する必要がある。現在、Google、IBM、D-Waveといった北米企業が開発している最先端量子デバイスは、まだ100量子ビットを超えておらず、「量子ビットの誤発火」によるエラー率は最大50%にも達する。「100量子ビットを超えると学術的なレベルを超えて面白くなり始めるでしょうが、本当にエキサイティングな状況になるにはおそらく1000量子ビットは必要でしょう」とヤング氏は言う。

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米国企業は5年から10年以内に実用的な量子コンピュータを開発できると主張しているが、中国ではより控えめな見積もりとなっている。「こうした根本的な問題を解決しなければなりません」とパン氏は言う。「私としては、20年から30年かかるでしょう。」

テンセント、アリババ、バイドゥなどの中国企業も量子技術開発競争に参入しているが、出遅れている。「数年前までは、中国のeコマース企業にこの種の研究への投資を説得するのは非常に困難でした」とパン氏は語る。「しかし、GoogleやIBM、IntelやMicrosoftの影響を受けて、今では中国のeコマース企業はすべて独自の量子技術プロジェクトを展開しています。」

中国の取り組みは、量子ビットの数という点では、まだ米国のライバル企業の性能に及ばない。しかし昨年、中国の科学者たちは18個の量子ビットを量子もつれ（量子コンピュータを実際に計算に用いるために必要な相互接続状態）で結び付けるという世界記録を樹立した。

これは開発の一般的なパターンと一致しています。「中国が量子ビットを生成する新たな方法でブレークスルーを達成したという確かな証拠はありません。これは基礎科学の根幹であり、実現可能な方法は限られています」と、パティンインフォマティクスのマネージングディレクター、トニー・トリッペ氏は述べています。「過去4年間の特許取得における中国の優位性は、主に応用分野にありました。」

中国は量子ハードウェアの開発という点では遅れをとっているものの、量子コンピュータが登場した際に実際にどのように活用されるかという点では進歩を遂げています。ヤング氏によると、量子コンピューティングの最も有望な用途が何であるかは明確ではありません。おそらく、現時点では想像もできないような有用な用途が量子コンピューティングには存在するでしょう。しかし、量子チップがパソコンやノートパソコンに搭載される可能性は低く、代わりにクラウドを介して中央集中型の量子コンピュータにアクセスすることになるでしょう。実際、IBMはすでにこのようなサービスを提供しています。

中国の資金力が鍵となるのは、量子コンピューティングの次の段階だ。「中国に量子環境を構築する上で、これは重要です」と、墨子号の理論を提唱したオックスフォード大学の量子物理学教授、アルトゥール・エケルト氏は語る。「例えば、電話を発明したとしても、端末を持っているのは自分だけで、電話をかける相手がいないのであれば、それだけでは不十分です。インフラ全体、ピラミッド全体、つまり奇抜な物理学者だけでなく、量子エンジニア、コンピューター科学者、暗号学者、そしてそれを販売できる人材も必要です。」

エカート氏は、中国のアプローチを、1960年代に人類を月に送り込んだNASAのアポロ計画に例える。「超伝導回路、イオントラップ、あるいは他の何かなど、どの量子技術がうまくいくのかは明確ではありません」と彼は言う。「相補的な分野の専門知識を持つ多くの人々を一つの屋根の下に集める必要があります。」

慰めの報酬

しかし、アメリカとソ連の激しい競争から生まれたアポロ計画は、おそらく適切な比較対象ではないだろう。量子コンピューティングと暗号技術の開発を、世界の技術覇権をめぐる中国対アメリカのゼロサムゲームのように描きたくなる。しかし、実際はそうではない。

パン氏はヨーロッパでこの技術の基礎を習得し、中国の研究者たちはオーストリアの研究者と緊密に協力して墨子星や関連技術の開発に取り組んできました。本稿のために連絡を取った研究者の中には、国際的な同僚とアイデアを共有するため、共同ワークショップに出席するため南アフリカに向かう途中の人もいました。

しかし、量子技術が学術界から応用の世界へと移行するにつれ、人々の姿勢はわずかに変化しました。「5年前なら協力的だったでしょうが、ここ5年間は少しバブル状態でした」とエケルト氏は言います。

サイバーセキュリティの専門家たちは、「Qデー」を恐れている。これは、現代の暗号規格のほとんどを破ることができる量子コンピュータが開発される日だ。もしある国が先にその日に到達すれば、問題を引き起こす可能性がある。CNASの報告書は、「量子サプライズ」、つまりある国が他国が全く知らない技術を開発することを意味する。

「ある程度の懸念は当然でしょう」とエカート氏は言う。「この分野は非常に重要なので、特定の地域があまりにも先行しすぎるのは許されません」。ヤング氏にとって、この課題は非常に複雑で費用もかかるため、どの国もライバルに差をつけるのは難しいだろう。「昨今、何かを隠し通すのは非常に難しいと思います」

この分野は細分化しており、様々な研究グループが多様なアプローチを試み、各国が多様なプロジェクトに資源を投入している。中国政府が量子技術を第13次五カ年計画の中核に据えた2016年以降、欧州と米国も独自の投資を行ってきた。

欧州連合（EU）は、今月初めに20件の新規プロジェクトへの資金提供を発表し、量子技術フラッグシップ・プログラムに10億ユーロを投入する。米国では、超党派のチームが量子研究開発に12億5000万ドルを投入する法案の作成に取り組んでいるが、中間選挙の結果を受けてその将来は不透明となっている。

中国では、複数の衛星を用いた量子ネットワークの構築と、科学的課題に取り組むための量子シミュレータの開発に注力しています。米国では、大手テクノロジー企業が量子コンピューターの量子ビット数の増加とエラー率の低減に注力しています。英国は量子アルゴリズムの最前線に立っています。

「本当にエキサイティングなのは、中国がこれに投資している理由は、彼らがその潜在能力をまだ知らないからです」とヤング氏は言う。「これが次の革命的な技術になることは明らかです。興味深いデバイスが大量に生まれることは明らかで、彼らはその可能性に投資しているのです。」

中国は投資によって確かに強い立場を築いているが、どのアプローチが効果的か、そしてそれが何につながるかは明らかではない。大きな進歩は合肥の100億ドル規模の量子ハブから生まれるかもしれないし、あるいは他の場所での比較的小規模な投資から生まれるかもしれない。

一国が主導権を握ることも可能だが、量子技術が真に革新的な技術となるには、世界的な取り組みが必要だ。「これは一国だけで開発できるものではない」とパン氏は言う。「競争はあっても、人々は互いに話し合い、協力する必要がある」

この記事はWIRED UKで最初に公開されました。