中国のコンピューティングパワーを一目で確認しましょう!このコンピュータの名前は「数学の芸術に関する9つの章」に由来しています

国家が科学技術を基盤として立ち上がれば、その国家は存続するでしょう。科学技術が強ければ国も強くなります。

2023年、わが国の科学技術革新は多くのハイライトを迎えました。国産大型航空機C919が初の商用旅客飛行を完了し、「九章3号」が光量子情報技術の世界新記録を樹立し、初の海上二酸化炭素貯留実証プロジェクトが実用化され、宇宙ステーションが新たな応用開発段階に入り、初の国産大型クルーズ船が命名・納入されました...

2024年の初めに、デジタル北京科学センターは、2023年に党の指導の下で達成された科学技術の成果を振り返る「新たな科学技術の躍進」コラムを特別に企画しました。

計算は古代の科学です。中国の『九章算術』は、分数の計算や正負の数の計算を体系的に説明した世界最古の書物です。何千年も経ち、人々の計算に対するニーズは、通常の加算、減算、乗算、除算をはるかに超えるものになりました。コンピュータの出現以降、複雑な計算の速度と量は飛躍的に向上しており、計算能力の向上は現代の社会産業の発展と密接に関係しています。

この図は光量子干渉の物理図を示しています。左下が入力光部、右下が位相同期光路、上部は合計100個の光モードを出力し、低損失シングルモード光ファイバーを介して100個の超伝導単一光子検出器に接続されます。

出典: 透かしを参照

2023年10月、中国科学技術大学の潘建偉氏、陸朝陽氏らからなる研究チームは、中国科学院上海マイクロシステム・情報技術研究所、国家並列コンピュータ工学技術研究センターと協力し、255光子量子コンピューティングプロトタイプ「九章3号」の構築に成功し、光量子情報技術の世界記録を再び更新した。ガウスボソンサンプリングの処理速度は前世代の「九章2号」より100万倍高速です。 「九章3号」が1マイクロ秒で計算できる最も複雑なサンプルは、世界最速のスーパーコンピューター「フロンティア」でも約200億年かかる。

量子コンピュータとは何ですか?

量子コンピュータの概念はファインマンによって提唱されました。原理的には、超高速の並列計算機能を備えており、特定の量子アルゴリズムを通じて、社会的、経済的に大きな価値を持ついくつかの問題のシミュレーション計算を指数関数的に加速することができます。したがって、量子コンピュータの開発は、現在の世界の科学技術の最前線における最大の課題の 1 つです。

量子コンピュータがいかに強力かを理解するために、まず専門用語を理解しましょう。量子物理学において、量子はあらゆる物理的特性の最小の離散単位です。通常、電子、ニュートリノ、光子などの原子または原子より小さい粒子を指します。量子ビット 量子ビットは量子コンピューティングにおける情報の基本単位です。従来のコンピューターのビットはバイナリであり、0 または 1 のみを保存できますが、量子ビットはすべての可能な状態の重ね合わせを保存できます。重ね合わせでは、通常の状態ではコインの表か裏しか見ることができませんが、量子粒子の状態は、コインの表、裏、交互の状態など、常に変動しており、観測・測定されるまで重ね合わせ状態にあります。エンタングルメント エンタングルメントとは、量子粒子が測定結果を相互に相関させる能力です。量子ビットがエンタングルメントされると、システムが形成され、互いに影響を及ぼします。量子粒子や量子もつれの数を増やすと、コンピューターはより複雑な問題に取り組むことができるようになります。量子干渉量子干渉は量子ビットの固有の動作であり、重ね合わせによる量子ビットの崩壊の確率に影響を与えます。量子コンピュータは、結果の正確性を確保するために干渉を最小限に抑える必要があります。

写真は光量子干渉の模式図です。

出典: 透かしを参照

量子コンピューティングは、量子力学の独特な動作（重ね合わせ、エンタングルメント、量子干渉など）を活用し、それを計算に適用します。

九章3号はなぜあんなに速いのか？

従来のコンピュータは電子部品で構成されているため、その計算速度と機能には原理的に「上限」がありますが、量子コンピュータでは理論上は存在しません。

量子コンピューティングの動作ロジックは、従来のコンピュータとは異なります。従来のコンピューターはバイナリに基づいて論理演算を実行します。各トランジスタはスイッチに相当し、スイッチの状態は 0 と 1 を表します。各計算では 1 ビットの情報しか処理できません。情報量が多くなるほど、計算時間は長くなります。量子コンピュータは、量子力学の特性（重ね合わせとエンタングルメント）を利用して計算を実行する量子ビットを使用します。

光量子コンピュータ「Jiuzhang-3」

出典：新華社通信

プロジェクトリーダーの陸朝陽教授は次のように語った。「量子コンピューティングの重要な特徴は、制御可能な量子粒子の数が増えるにつれて、コンピューティング能力が指数関数的に増大することです。これは迷路を歩くようなものです。従来のコンピューターは、一度に試すことができる経路を 1 つしか選択できません。失敗した場合は、最初からやり直すしかありません。しかし、量子コンピューターが迷路を歩くとき、それは 10 人の人々が同時に異なる経路を試しているようなものです。彼らは瞬時にすべての可能性を試し、正しい経路を素早く見つけます。」

実験装置の概略図 出典：吉林日報

「九丈2号」は113個の光子を操作でき、「九丈3号」は255個の光子を操作できるが、「九丈3号」の計算能力は2.26倍（255÷113）ではなく、100万倍に増加している。

構造的には、「九章3号」は、誘導量子光源、超低損失量子光路、時空多重分離機能付き光ファイバーリング、超伝導ナノワイヤ単一光子検出器の4つの主要部分に分かれています。 「九章2号」と比較した最大のアップグレードは「時空多重分離光ファイバーリング」技術である。

「九章2号」では具体的な光子数を分析することはできない。光ファイバーリングの応用により、光子操作のレベルを大幅に向上させることができます。同時に、誘導量子光源は世界で最も低い損失率と最大のモード数も備えています。これらの革新により、光子の数と質が向上し、計算の複雑さも増します。

将来、量子コンピュータは何が可能になるのでしょうか?

量子コンピュータは原理的に超高速の並列計算機能と膨大な計算容量を備えているため、科学者は量子コンピュータがコード解読、ビッグデータ分析、薬物分析、天気予報、材料分析などの先進分野でより大規模で複雑な計算要件をサポートすることを期待しています。現代のテクノロジーでは、ますます複雑なデータの計算が必要になります。従来のコンピューターでは、結果を得るのに多くの時間とリソースがかかったり、コンピューティングのニーズを満たせない場合もあります。しかし、実用的な汎用量子コンピュータを実現するには、まだ長い道のりが残っています。

現在、国際的な量子コンピューティングの研究が加速しており、量子コンピューティングは世界各国の科学研究と戦略配置の焦点となっています。 IBMやGoogleなどのテクノロジー大手は継続的に投資を増やしており、政府や産業界も量子コンピューティングに対する研究開発投資と政策支援を加速させています。九章チームはまた、今回の躍進が科学界に刺激を与え、古典的なアルゴリズムのシミュレーションに関する研究をさらに進め、さまざまな科学技術上の課題を徐々に解決し、汎用量子コンピュータの実現を加速して経済社会の発展を促進することを期待していると述べた。

内容は光明日報、人民日報、新華社通信、展望ニュースウィークリー、吉林日報、カバーニュースから編集されています。