『祖崇志第3号』発売！量子コンピュータの使用はどのくらい近づいているのでしょうか?

最近、中国の科学者たちは超伝導量子コンピューティングの分野で大きな進歩を遂げました。 105量子ビットの超伝導量子コンピューティングプロトタイプ「祖崇志3号」の構築に成功し、ランダム回路サンプリング（RCS）実験を通じて量子コンピューティングの優位性の記録を再び更新しました。 「量子ランダム回路サンプリング」問題の処理速度は、世界最速のスーパーコンピュータの1兆倍です。この成果は、国際的に権威のある物理学誌「Physical Review Letters (PRL)」の表紙記事として正式に発表されました。

1000兆倍はどれくらい速いのでしょうか?量子コンピューティングの優位性とはどういう意味ですか? 「祖崇志第3号」のこの進歩は何を意味するのでしょうか？量子コンピュータの使用はどのくらい近づいているのでしょうか?詳しく見てみましょう。

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1.「祖崇志3号」の躍進はどれほど大きいのか？

量子には重ね合わせ状態があり、これは各量子ビットが同時に 2 つの状態をエンコードできることを意味します。量子ビットの数が増え続けると、量子システムがエンコードできる状態の数は指数関数的に爆発的に増加します。

量子プロセッサをスーパーブレインに例えると、量子ビットは脳内のニューロンに相当します。ニューロンの数が多いほど、脳が処理する情報はより複雑で大きくなり、より難しい問題を解決できるようになります。

「祖崇志3号」チップの概略図。

画像提供：中国科学技術大学

「祖崇志3号」は105個の量子ビットを持ち、2の105乗の状態をエンコードできる。 66量子ビットを持つ前世代の「祖崇志2号」と比較すると、両者の符号化状態空間のサイズは約5000億倍も異なります。もちろん、これはコーディング空間におけるギャップにすぎません。実際の計算能力のギャップを測定する際には、量子ゲート操作と読み取りの忠実度も考慮する必要があります。

「忠実度」は量子コンピューティングにおいて非常に重要な概念です。簡単に言えば、忠実度は量子演算の「精度」のようなもので、実際の演算と理想的な演算の類似性を測定するために使用されます。忠実度が高いほど、実際の量子操作は理想的な状態に近くなり、誤差は小さくなります。

「祖崇志3号」量子コンピュータは、3つの主要指標で高い忠実度を達成しました。並列シングルビットゲート忠実度は99.90%、並列2ビットゲート忠実度は99.62%、並列読み取り忠実度は99.13%に達しました。これらの高忠実度の実装は、量子コンピュータに高精度の「目」と「手」を装備するようなもので、複雑な量子アルゴリズムをより正確に実行できるようになります。

そのため、「祖崇志3号」の建造成功により、一方では量子コンピュータの計算能力の上限が大幅に向上し、より複雑な問題を処理できるようになりました。一方、量子エラー訂正のためのリソースも増加し、より高いコード距離を持つ表面コードロジックビットを実現し、量子コンピューティングのエラー率を低減し、量子コンピュータを研究室から実際のアプリケーションへと推進することが期待されています。

2. 科学者が追求している量子コンピューティングの優位性は、実際には何を意味するのでしょうか?

量子コンピューティングとその優位性について語るとき、避けて通れない言葉が 1 つあります。それは、量子ランダム回路サンプリング(RCS) です。これは現在、量子コンピュータの性能を測定するための重要な基準となっています。

従来のコンピュータの計算プロセスでは、通常、処理対象のデータが最初にシステムに入力され、その後、特定のアルゴリズムに従って一連の論理ゲート操作が実行されます。これらの操作が完了した後、得られた処理済みデータが計算結果となります。量子コンピュータの計算プロセスも同様です。

量子ランダム回路サンプリングは、まず量子情報をインポートし、次に一連の量子論理ゲート操作を実行し、最後に最終的な量子状態の計算結果をサンプリングします。量子ランダム回路サンプリングタスクにおけるランダム性は、主に、科学者がさまざまな量子論理ゲート操作をランダムに選択して、さまざまなランダムな量子状態の計算結果を取得するという事実に反映されています。これらの計算結果を統計的に解析することで、さまざまな状況での量子コンピュータの計算結果の精度が得られ、量子コンピュータ全体の性能を総合的に評価することができます。

したがって、量子ランダム回路サンプリングの実装におけるパフォーマンスが優れているほど、量子コンピュータのパフォーマンスは強力であると言えます。量子コンピュータの計算能力が、特定の問題において最強の古典コンピュータを上回る場合、それを量子コンピューティングの優位性と呼びます。

「量子コンピューティングの優位性」に関する研究は画期的な意義を持つ。これは、コンピューティング分野における量子力学の原理の実現可能性と可能性を検証するだけでなく、量子コンピューティング理論の発展に対する実験的サポートを提供し、量子コンピュータが実際に古典的コンピュータを超えるコンピューティングパワーを提供することを実証し、第2の量子革命の進歩を促進し、量子コンピュータが究極の目標であるフォールトトレラントな汎用量子コンピュータの実現に向けて前進するための強固な基盤を築きます。

3. 量子コンピュータの実用化までどれくらい時間がかかるのでしょうか?

「祖崇志3号」超伝導量子コンピューティングプロトタイプは、現在の超伝導システムにおいて最強の量子コンピューティングの優位性を達成しました。それは、近い将来量子コンピュータが使用されるようになることを意味するのでしょうか?

今日、人工知能や気候シミュレーションなどの分野の複雑さが増すにつれ、トランジスタが物理的限界に近づいているため、ムーアの法則は徐々に無効になりつつあります。私たちが使用している従来のコンピューターは、指数関数的に増大するコンピューティングのニーズを満たすことができなくなりました。そのため、人々は量子コンピュータができるだけ早く実用化され、計算能力の向上という問題の解決に役立つことを期待して、量子コンピュータに期待を寄せています。

しかし、量子コンピュータの実用化は一朝一夕で実現できるものではありません。

現在、科学者は量子コンピューティングの発展を3つの段階に分類しています。

フェーズ 1: 量子コンピューティングの優位性を達成し、50 を超える量子ビットをコヒーレントに操作し、特定の問題に対して最速のスーパーコンピューターを上回る計算能力を実現します。

第 2 段階: 数百から数千の量子ビットをコヒーレントに操作して、量子化学、高温超伝導メカニズム、物質の位相状態など、従来のコンピューターでは解決できない重要な科学的問題を解決できる専用の量子シミュレーターを実現します。

第 3 段階: 量子エラー訂正の支援により、少なくとも数百万の量子ビットをコヒーレントに操作でき、古典暗号、人工知能、材料設計、バイオ医薬品などの分野における計算問題を解決するために使用される、汎用的なフォールト トレラント量子コンピュータを実現します。

量子コンピュータ開発の第 3 段階である、汎用フォールト トレラント量子コンピュータに到達し、量子コンピューティングの完全な実用化を実現するには、量子エラー訂正アルゴリズムを使用して論理ビットのエラー率を削減する必要があります。現在、科学者たちは、数千の論理ビットと 1e-10 のオーダーで制御された論理エラー率を備えた量子コンピューティングのプロトタイプを構築するには、約 10 ～ 15 年かかると見積もっています。

査読者：Zha Chen、中国科学技術大学上海理工大学のポスドク研究員、論文の第一著者

企画：Shi Wenhui、Yan Dong

制作：中国科学普及協会