100万分の1秒！最強の光量子コンピュータ「九章3号」はなぜこんなに速いのか？

制作：中国科学普及協会

著者: ルアン・チュンヤン (清華大学物理学科)

プロデューサー: 中国科学博覧会

2023年10月11日、国際的に著名な物理学の学術誌「Physical Review Letters」は、光量子コンピューティングの分野における中国の研究チームによる最新の研究成果を掲載した。

中国科学技術大学中国科学院量子情報・量子技術革新研究所の潘建偉氏、陸朝陽氏、劉蕃楽氏らからなる光量子コンピューティング研究チームは、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共同で、 255個の光子を持つ光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、光量子コンピュータで制御可能な光子の数の世界記録を再び更新した。

「九章3」と書かれたフィジカル・レビュー・レターズ誌の表紙

(画像出典: Physical Review Letters ウェブサイト)

「九章3号」は、これまでの「九章」シリーズの光量子コンピューティングプロトタイプをベースにさらに開発・成熟した最新モデルです。これは、現在の光量子コンピューティング分野における最高レベルの技術を表しています。

研究結果によると、わずか113個の光子しか操作できなかった従来の「九丈2号」量子コンピューティングプロトタイプと比較して、255個の光子を備えた「九丈3号」は、「ガウスボソンサンプリング」という特定の複雑な問題を処理する際の計算速度が約100万倍高速であることがわかった。

そのため、「九章3号」は光量子コンピュータの複雑な問題を解決する能力を向上させるだけでなく、量子コンピューティングの優位性に関する最新の世界記録を樹立し、真に実用的な汎用量子コンピュータの最終的な開発に強固な技術的サポートを提供します。

量子コンピューティングの概念マップ

（写真提供：veerフォトギャラリー）

では、光子とは一体何なのでしょうか?光子はどのようにして光子量子コンピュータを形成する計算に参加するのでしょうか?なぜ科学者は「ガウスボソンサンプリング」という複雑な問題を意図的に選択して計算を実行し、解決するのでしょうか?現在の「九章」シリーズの量子コンピューティングプロトタイプは、真に実用的な汎用量子コンピュータになるまでにどれくらいの距離があるのでしょうか?

身近でもあり、馴染みのない「光子」

光量子は光子とも呼ばれ、電磁相互作用を光速で伝達することができます。これらは1905年にアルバート・アインシュタインによって初めて提唱され、1926年にアメリカの科学者ギルバート・ルイスによって正式に命名されました。

私たちが暮らすマクロな世界において、光は人々にとって最も身近なものの一つであり、幾何光学などの物理学の成熟した分野にまで発展してきました。中学校の物理の授業では、光の反射と屈折について学びました。これは、光が微粒子に似た粒子特性を持っていることを示しています。高校の物理の授業では、光は干渉したり回折したりすることも学びました。これは、光が電磁波であり、音波や水波に似た波動特性を持っていることを示しています。

つまり、私たちが住むマクロな世界から見ると、光は極めて多数の光子から構成される全体であり、この全体は粒子と波動の両方の性質を持っており、これは光の「波動粒子二重性」とも呼ばれています。

マクロの世界の光

（写真提供：veerフォトギャラリー）

しかし、ミクロの世界から見ると、それぞれの光子はマクロの世界における音波や水波のような純粋な波動性も、極めて小さな原子や分子のような純粋な粒子性も持たず、量子力学における量子化によって記述される必要がある。

量子化とは、ミクロの世界における物質エネルギーが、最小のエネルギー単位（量子）で一つずつ不連続にしか変化できないことを意味します。光子の場合、各光子はマクロの世界で光を構成する最小単位であり、光のエネルギーも一つ一つの光子のエネルギーが集まって構成されています。

ミクロの世界における光子の概念図

（写真提供：veerフォトギャラリー）

では、私たちが住むマクロな世界では、光はなぜ少しずつ変化するのではなく、常に安定して連続しているように感じるのでしょうか?

これは、各光子のエネルギーが約 5×10^19 と非常に小さいためです。 J. 比較すると、一般的なスマートフォンのフラッシュ出力は約 1W です。つまり、スマートフォンのフラッシュはわずか 1 秒間に約 2×10^18 個の光子を放出できることになります。そのため、私たちが住むマクロな世界では光子の存在や変化を感じることは難しいのです。

フォトニック量子コンピューティング：無限の可能性を秘めた未来の技術

では、光子はどのようにして光量子コンピュータを形成する計算に参加するのでしょうか?これは量子コンピュータから始まります。

今日の生活において、私たちが接触するコンピューターや電卓などの電子機器は、依然として古典的なコンピューターのカテゴリーに属しています。従来のコンピュータの計算能力がムーアの法則の限界に近づき続けるにつれて、従来のコンピュータのプロセッサの数を単純に増やすだけでは、将来の膨大なデータ計算のニーズに適応することがますます困難になるでしょう。

量子コンピュータは従来のコンピュータとは異なります。量子力学理論の並列コンピューティング特性を利用して、より効率的なコンピューティング パフォーマンスを実現します。

量子コンピュータは量子ビットを基本的な計算単位として使用します。各量子ビットは、状態 0 と状態 1 の重ね合わせ状態をとることができます。これは、状態 0 または状態 1 にしか取れない古典的コンピューターの古典的ビットとは異なります。たとえば、確率 P と Q の合計が 1 に保たれる限り、各量子ビットは確率 P で状態 0 になり、確率 Q で状態 1 になることができます。

光量子ビットの符号化の概略図

（写真提供：veerフォトギャラリー）

量子ビットの独自の重ね合わせにより、量子コンピュータは複雑な計算問題を並列に処理できるようになります。たとえば、 N 個の量子ビットを持つ量子コンピュータは、2 ^N 個のデータを同時に並列処理できるため、特定の問題に対して指数関数的に高い計算能力を発揮します。

そのため、真に実用的な量子コンピュータをどのように構築するかという問題は、学界と産業界から広く注目されており、光量子コンピューティングは最も有望な研究分野の 1 つです。

光量子コンピューティングは、量子ビットの情報を各光子の自由度にエンコードするプロセスです。その中で、光子の自由度には偏光、角運動量などが含まれます。（ここでは、光子の自由度に関するより詳細な物理的概念にあまり注意を払う必要はありません。特定のエンコード方法によって、各光子が量子ビットに構築できることを理解するだけで十分です。）

具体的な実験では、科学者はさまざまな光学素子と慎重に設計された光路を使用して光量子ビット間の相互作用を完了し、それによって量子コンピューティングプロセスにおける量子ビットゲートの動作を実現する必要もあります。しかし、単一光子のエネルギーは弱すぎるため、実験で単一光子を得ることは困難であり、単一光子の微弱な信号を検出することも困難です。

光学実験の模式図

（写真提供：veerフォトギャラリー）

したがって、光量子コンピューティングソリューションの場合、光量子コンピュータのスーパーコンピューティングパワーを真に発揮させたいのであれば、直面している多くの技術的問題を一つずつ解決するだけでなく、制御可能な光量子ビットの数をさらに増やし、実用的な量子コンピュータの最終的な構築に向けた技術的準備を整える必要があります。

「九章」シリーズ：光量子コンピューティングで優れた成果を繰り返し達成

現在、汎用量子コンピュータの実現に期待されているソリューションとしては、主に超伝導量子コンピューティング、イオントラップ量子コンピューティング、光量子コンピューティングなどが挙げられます。

その中でも、光量子コンピュータには独自の利点がいくつかあります。まず、光量子コンピュータは室温で正常に動作できるため、低温環境を必要としません。第二に、光子は環境内のノイズと相互作用しにくいため、ノイズ耐性が優れています。最後に、光実験技術の継続的な向上により、将来的にはよりコンパクトで小型化された光量子コンピューティングシステムが実現されることが期待されます。

中国科学技術大学の研究チームは、光量子コンピューティング システムに注力しており、光量子コンピューティング ソリューションの全体的なパフォーマンスを継続的に向上させています。その中で、彼らは光量子コンピューティングの量子的優位性を検証するために、ガウスボソンサンプリングという特定の複雑な問題を選択しました。 (ここではガウスボソンサンプリングについて詳しく説明する必要はありません。この特定の問題が光量子コンピュータによる量子演算の並列加速に特に適していることを知るだけで十分です。)

中国科学技術大学の光量子コンピューティング研究チームは、2020年に早くも76個の光子を持つ「九章」光量子コンピューティングプロトタイプの開発に成功しました。研究結果によると、「九章」光量子コンピューティングプロトタイプは、ガウス粒子サンプリングの特定の問題の処理において、当時世界最速の古典的なスーパーコンピュータ「富岳」よりも100兆倍高速であり、光量子コンピューティングの分野での量子優位性を世界で初めて検証しました。

九章光量子コンピューティングプロトタイプの実験セットアップの図

（画像出典：参考文献[4]）

翌年の2021年に、チームは「九章」プロトタイプを113個の光子を持つ「九章2」光量子コンピュータにさらにアップグレードしました。ガウスボソンサンプリングの具体的な問題では、「九章2号」の計算処理速度は「九章」の約100億倍高速です。当時世界で最も強力な従来のスーパーコンピュータと比較すると、「九章2号」の計算速度はほぼ100兆（10の24乗）倍速く、光量子コンピューティングの分野における量子的優位性がさらに強化されました。

九章2号光量子コンピュータ実験の写真

（画像出典：参考文献[5]）

最新の「九章3号」光量子コンピュータは255個の光子を操作する能力を持ち、ガウス粒子サンプリングの特定の複雑な問題を解決する能力は前世代の「九章2号」のほぼ100万倍に向上しています。

研究結果によると、九章3号が100万分の1秒で完了した複雑な計算問題は、現在最も強力な古典的なスーパーコンピューターであるフロンティアを使用した場合、200億年以上かかることがわかった。この画期的な成果は、量子コンピューティングの優位性を再確認するだけでなく、光量子コンピューティングの分野における我が国の研究チームの国際的な主導的地位をさらに強化するものでもあります。

九章3光量子コンピュータの光路設計図

（画像出典：参考文献[6]）

結論

要約すると、中国の光量子コンピューティング研究チームは、光量子コンピューティングの全体的なパフォーマンスの向上に注力しており、量子超越性の検証という最先端のテーマで継続的に目覚ましい成果を上げています。 「九丈」から「九丈2号」、そして「九丈3号」へと続く連続的なブレークスルーは、光量子技術のプロトタイプが、特定の複雑な問題を解決する上で従来のコンピュータでは達成するのが難しい強力な計算能力を備えていることを示しています。

過去20年間、世界の光量子コンピューティング研究チームは、制御可能な光子の数の記録を樹立してきました。

（画像提供：中国科学技術大学量子物理学・量子情報学部）

しかし、量子超越性の検証は長期にわたる複雑な最先端のテーマであり、科学者がさまざまな中核的な技術的問題を継続的に探求し解決する必要があることにも注意する必要があります。将来的には、真に実用的な量子コンピュータに向けて前進し続ける必要があります。そして私たちは、近い将来、量子コンピューティングの夢が私たちの現実を照らすだろうと固く信じています。

参考文献

[1] 第9章：Han-Sen Zhong他「光子を用いた量子計算上の優位性」サイエンス370、1460-1463（2020）。 DOI: 10.1126/science.abe8770

[2] 第9章第2号：Zhong、Han-Sen他「誘導スクイーズド光を用いた位相プログラム可能なガウスボソンサンプリング」[J]。物理。 Rev.Lett、2021、127、180502。

[3] 第9章第3号：Deng, Yu-Hao他「擬似光子数分解検出器によるガウスボソンサンプリングと量子計算の利点」[J]物理。 Rev.Lett、2023、131、150601。

[4] Zhong HS、Wang H、Deng YH、et al.光子を用いた量子計算の利点[J]。サイエンス、2020、370（6523）：1460-1463。

[5] Zhong HS、Deng YH、Qin J、他。誘導スクイーズド光を用いた位相プログラム可能なガウスボソンサンプリング[J]。フィジカルレビューレターズ、2021年、127(18): 180502。

[6] Deng, Yu-Hao et al, 擬似光子数分解検出器と量子計算の利点を備えたガウスボソンサンプリング.[J]. PhysRevLett、2023、131.150601。