一般の人は量子コンピュータをどのように利用することができるのでしょうか?

一般の人が本物の量子コンピュータにアクセスするにはどうすればいいのでしょうか?答えは「量子クラウド」です。私たち中国人はどうすれば本物の量子コンピュータにアクセスできるようになるのでしょうか?答えは「私たち自身の量子クラウド」です。

著者：Wuxie（量子コンピューティングの専門家）

最近、「量子クラウド」がテクノロジー界のホットワードになっています。 IBMは2023年5月に、以前にリリースされた433量子ビットの「Osprey」プロセッサを量子クラウドプラットフォーム上で発売する予定です。 5月末に北京で開催された中関村フォーラムにおいて、北京量子情報科学研究所（以下、「北京量子研究所」）は、北京量子研究所、中国科学院物理研究所、清華大学が共同開発した量子コンピューティングクラウドプラットフォーム「Quafu」を正式に発表した。最大の量子コンピューティング システムは、独立して制御および測定できる 136 個の相互接続された量子ビットを提供できます。

おそらく多くの人は「量子クラウド」が何であるかを明確に理解していないか、あるいはそれをクラウドコンピューティングと簡単に関連付けているかもしれません。実際のところ、この 2 つはまったく異なるものです。今日は、この待望の量子コンピューティングパワー共有モデルである量子クラウドについてお話します。

超伝導量子コンピューティングシステム

量子クラウドとは何ですか?

まず、量子コンピューティングと従来型コンピューティングの違いを簡単に紹介しましょう。コンピューター、携帯電話、電卓など、現在私たちが使用している計算方法はすべてバイナリロジックに基づいています。最も低いレベルの情報保存および処理単位はビットと呼ばれます。ビットは 0 または 1 の 2 つの状態のいずれかになります。多数のビットを回路で接続し、「AND ゲート、NAND ゲート、XOR ゲート」などの一連の論理演算を実行して、最終的に計算結果を格納するビットのグループの状態を取得し、さまざまな操作を実行できます。このタイプのコンピューティングを古典的コンピューティングと呼びます。

ここでは、コンピューティングの 4 つの要素が示されています。1 つ目は、情報の保存単位であるビットです。 2 番目は、ビットに作用する一般的な論理ゲート操作のセットです。 3 番目はアルゴリズム、つまり論理ゲートがどのように構成され、ビットにマッピングされるかです。最後の要素は読み取りです。量子コンピューティングにもこれらの要素が必要であり、量子力学の重ね合わせやエンタングルメントなどの基本原理を活用することで、従来のコンピューティングにはない多くの機能を発揮することができます。

量子コンピューティングの基本的な情報処理単位は量子ビットであり、これは最も単純な量子システム、つまり 2 レベル システムです。類推として、これら 2 つのエネルギー レベルをそれぞれ 0 と 1 とラベル付けできます。量子状態の重ね合わせにより、このようなシステムは 0 と 1 の重ね合わせ状態になる可能性があり、つまり、量子ビットは部分的に 0 で部分的に 1 になる可能性があります。この重ね合わせ特性により、量子ビットは複数の状態を同時に表現できるようになり、より強力な情報エンコード機能が得られます。複数の量子ビットを接続すると、それらをエンタングルメントすることができます。これは、従来のビットにはない機能です。

量子ビットのエンタングルメントを詳しく説明するのは難しいですが、次のように理解することができます。エンタングルメントされたビットでは、情報の表現を全体として見る必要があり、その次元はビット数の増加とともに指数関数的に増加します。これにより、計算のためのコーディングスペースが指数関数的に増加し、理論的には指数関数的なコンピューティング加速機能を実現できます。このようなエネルギーレベルのペア（つまり、もつれた量子ビット）を見つけて、さらに拡大し、これらの量子ビットに対して正確な量子ゲート操作を実行し、量子状態を正確に測定し、最終的に優れた量子アルゴリズムを設計することができれば、信じられないほど効率的な計算を完了できる可能性があります。実際、有名なショアアルゴリズムなど、大きな数を因数分解する問題の複雑さを準多項式レベルまで軽減できる例があります。理論上、このアルゴリズムはインターネットで一般的に使用されている RSA パスワードや楕円曲線パスワードを非常に短時間で解読できる可能性があり、発生する脅威レベルは国家安全保障に直接関係すると言えます。これは、各国が量子コンピューティング/情報産業に多額の投資を行っている理由の 1 つでもあります。

現実には、光子、電子、原子、分子、原子核、格子欠陥などに基づく量子ビットを構築できる物理システムが多数存在します。量子コンピューティングに詳しい読者は、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、半導体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について聞いたことがあるかもしれません。これらは本質的に異なる物理システムに基づいて開発された異なる技術ルートであり、その進歩も異なります。現在、超伝導とイオントラップは、最も有望な 2 つの技術的解決策であると考えられています。 IBM の Osprey プロセッサと Quafu 量子コンピューティング クラウド プラットフォームはどちらも超伝導ソリューションに基づいています。

もちろん、超伝導ソリューションであれイオントラップソリューションであれ、彼らが開発した（量子）ハードウェアはまだ応用実証段階にあります。業界の急速な発展には、研究開発と実用化の間の調整が必要です。一方では、研究者が将来の研究の方向性や技術的なルートをより正確に計画できるように、応用側が合理的な実践的要求を提示することが急務となっている。アプリケーション側も、実際のメリットをできるだけ早く生み出すために、実際の量子ハードウェア上で独自のアルゴリズムを早急にテストし、最適化する必要があります。一方、量子コンピューティングの技術的ハードルと資本投資は非常に高く、高品質の量子コンピューティングリソースは非常に不足しています。量子アルゴリズムの理論研究に携わる大学や研究機関であっても、量子技術のニーズを探求する企業であっても、これらの量子コンピューティングリソースを入手することは困難です。したがって、実務者は、研究開発側とアプリケーション側を密接に結び付けるオープンな共有メカニズムを必要とします。現在、量子クラウドプラットフォームが最善の方法であると誰もが考えています。

P136 量子クラウドのパフォーマンスと接続性ビュー（出典：http://quafu.baqis.ac.cn/）

量子クラウドプラットフォームを構築するには？

インターネットに一連の API（アプリケーション プログラミング インターフェイス）を公開する、精密に調整された量子チップ測定および制御システムがあれば、インターネットを介してこの量子測定および制御システムにアクセスし、量子回路を送信して、返された測定データを取得できます。さらに、ユーザーが量子回路をコンパイルおよび最適化し、ビットマッピングを実行し、多数のユーザーが同時にアクセスできるようにするのに役立つ、比較的完全なツールセットとスケジューリングシステムを提供できれば、量子クラウドプラットフォームを構築したことになります。

ここで「量子計測・制御システム」と「量子回路」が何であるかを理解する必要があります。前回の記事では、情報ストレージと処理ユニット (ビット)、一般的な論理ゲートの完全なセット、アルゴリズム、読み取りなど、コンピューティングのいくつかの要素を大まかに整理しました。量子計測制御システムは、普遍的な量子ゲートの物理的実現と量子状態の読み取りという2つのリンクを解決することです。前者は「制御」に相当し、後者は「測定」に相当します。

単一ビット回転ゲートを例にとると、量子ビット QA の状態を X 軸を中心に 180 度回転させたい場合、実際の操作は、正確な面積を持つ共鳴マイクロ波パルスを QA に適用することです。このようなパルス信号は、通常、室温の任意波発生器によって編集・生成されますが、量子ビットは極めて低温です。この信号を指定されたビットの近くに正確に送信するにはどうすればよいですか?これには、パルス ソースを QA の制御ラインに接続するためのケーブルが必要です。これは単純に聞こえますが、実現するのは非常に困難です。科学者や技術者は、十分な信号が伝送されることを保証するだけでなく、室温の熱ができる限り少なく伝送されること、また熱雑音やその他の雑音源がケーブルに沿って量子ビットの近くに侵入し、損傷を引き起こさないことも保証する必要があります。このため、一方では特殊な低温同軸ケーブルを使用する必要があり、他方ではさまざまな減衰器、フィルターなどのデバイスを段階的に挿入する必要があり、リンク全体が非常に繊細になります。読み取りに関しては、極めて弱い量子信号を段階的に増幅し、収集および処理のために室温取得カードに渡す必要があります。精密な量子ゲート制御と正確な量子状態の読み取りを実現するために使用されるこれらすべての電子機器、ケーブル、さまざまなマイクロ波デバイス、サンプルボックスなどは、複雑で洗練された「量子測定および制御システム」の物理的な部分です。さらに、計測や制御のソフトウェア部分も非常に重要です。計測・制御機器、波形制御、データ処理・可視化、関連ツールチェーンなどの効率的な管理を担います。

量子計測制御システムの概略図 |画像出典: IBM Quantum

量子回路とは、上記の量子ゲートと読み取りを特定の目的に応じて編成して形成される論理シーケンスです。上で述べたショアアルゴリズムは本質的に量子回路です。ただし、これはまだ比較的抽象的であり、実際の量子コンピュータで実行するには、通常、何らかの変換が必要であり、そのためには Quantum Cloud のコンパイルおよび最適化ツールを使用する必要があります。オープン量子クラウドでは、ユーザーは基本的なルールに準拠している限り、さまざまな量子回路を提出できます。このオープンな性質は、量子クラウドが、実験室で行われる量子実験よりもいくぶん複雑な状況に対処しなければならないことを意味します。

次のようなシナリオが考えられます。ユーザーは Web ページやアプリを通じて実際の量子コンピューティング リソースに直接アクセスし、上級ユーザーはそれを独自のアプリケーションに統合して独自の量子アプリケーションを構築することもできます。これらのタスクはすべて、配線だらけの量子コンピューティング研究室を訪れたり、個人的に機器を組み立てたり、配線をデバッグしたりすることなく、オフィスに座ったまま完了できます。これは実際に使用できる量子クラウド プラットフォームです。量子クラウドにより、ユーザーが量子コンピューティング リソースを使用するための敷居が大幅に下がり、より多くの人が実際の量子コンピューター上でアイデアを迅速に検証し、改善できるようになったことがわかります。より多くの賢い人々を巻き込むことが、量子コンピューティングを実用化に向けて推進するための究極の近道です。

量子クラウドの競争は激しく、独立した研究開発が鍵となる

量子クラウドの形で量子コンピューティングを推進した最初の企業はIBMでした。 2016年に、彼らは初の5量子ビット量子クラウドを立ち上げました。現在までに、IBM は 25 もの量子クラウド コンピューティング プラットフォームを立ち上げており、現在公開されているシステムには最大 433 個の量子ビットが含まれています。 2017 年以来、私の国のチームはこのモデルを研究してきました。最も初期のものは、中国科学院量子情報・量子技術革新研究所が立ち上げた12ビット量子コンピューティングクラウドプラットフォームでした。現在、多くの研究機関や企業が外部に向けて量子クラウドサービスを提供しています。中関村フォーラムで発表されたQuafu量子クラウドプラットフォームは、わが国で立ち上げられた最初の100ビットを超える規模の量子クラウドです。その意義は実は非常に大きいのです。数百量子ビット規模の量子コンピューティングは、チップ設計、超低温回路レイアウト、計測および制御電子機器の統合、計測および制御ソフトウェアシステムアーキテクチャに至るまで、以前に比べて複雑さが大幅に増加しています。コンパイル、最適化、クラウドフロントエンドなどの高レベルのソフトウェアシステム設計とテストと組み合わせると、体系的な量子エンジニアリングの課題と言えます。

米国は現在、最も先進的な量子クラウド技術を有しており、それに基づく量子アプリケーションエコシステムのレイアウトもより詳細です。注目すべきは、外国の量子クラウドがすでに中国に大きな制限を課しており、中国は長い間、最高かつ最先端の量子リソースにアクセスできなかったことである（中国は、より少ないビット数のIBMの以前の量子クラウドシステムにしかアクセスできない）。したがって、中国における高品質の量子クラウドプラットフォームの独自の研究開発は、わが国の量子コンピューティング技術の発展と産業エコシステムの構築にとって極めて重要です。

IBMの量子コンピューティングシステムがオンラインになり、433量子ビットのOspreyプロセッサが初めてオンラインになりました（出典：
https://quantum-computing.ibm.com/)

最後に、量子クラウドの配置において中国とIBMの間にはギャップがあり、量子クラウドをめぐる量子コンピューティング応用エコシステムの構築はまだ始まったばかりであり、まだ長い道のりが残っていることも認識すべきである。今後は、さまざまな分野の科学者、エンジニア、起業家が協力して前進していくことが必要です。我が国の量子コンピューティング技術が、科学研究と産業が手を取り合って着実に進歩し、この破壊的な新しい道で世界のトップに到達することを願っています。

この記事は科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けています

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司

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