255 個の光子、従来のコンピューターより 1 億 8000 万倍高速な「九章 3 号」が記録を破ります!

11日、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、光量子情報の技術レベルと量子コンピューティングの優位性で再び世界記録を更新した。

研究者らは、時空間多重分離による光子検出の新しい方法を設計し、高精度の準光子数分解検出器を構築しました。これにより、光子操作のレベルと量子コンピューティングの複雑さが向上しました。公開された最適古典的精密サンプリングアルゴリズムによると、「九丈3号」のガウスボソンサンプリングの処理速度は、前世代の「九丈2号」よりも100万倍高速です。九章3号が100万分の1秒で処理する最も複雑なサンプルは、現在最も強力なスーパーコンピューターであるフロンティアでも200億年以上かかる。この成果により、光量子コンピューティングの分野における我が国の国際的な主導的地位がさらに強化されます。

USTCの研究チームは、「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の構築に基づいて、ガウスボソンサンプリングとグラフ理論の間の数学的な関係を明らかにし、実用的な価値のある2種類のグラフ理論問題、密なサブグラフとMax-Hafの解決を完了しました。これは、従来のコンピューターの精密シミュレーションよりも1億8000万倍高速です。さらに、無条件多光子量子精密測定の利点が国際的に初めて実証されました。

76光子から113光子、そして255光子へ

原理的には、量子コンピュータは特定のアルゴリズムを使用して、社会的および経済的に大きな価値を持つ問題を解決する際に、従来のコンピュータよりも強力な計算能力を実現できます。 1981年に、ファインマンは量子コンピューティングの最初のアイデアを提案しました。大規模量子コンピュータの物理的な実現は、世界の科学技術の最前線における大きな課題の一つです。フォールトトレラントな汎用量子コンピューティングの開発は、厳格なフォールトトレランス閾値と多数の量子ビットのため、現在の人類の技術開発レベルからはまだ程遠いものです。

そのため、量子コンピューティングの物理的な実現を達成するために、国際学術コミュニティは 3 段階のロードマップを採用しました。このうち、学術的には「量子コンピューティングの優位性」として知られる最初のマイルストーンは、約100の物理ビットを高精度で操作することで、スーパーコンピューターでも合理的な時間内に解決できない特定の非常に複雑な数学的問題を効率的に解決するために使用されることを意味します。これは、40 年前にファインマンによって提案された量子コンピューティング加速の概念を実験的に証明し、「拡張されたチャーチ＝チューリングのテーゼ」を反駁するものです。

光子に基づくボーズサンプリングと超伝導ビットに基づくランダム回路サンプリングは、量子コンピューティングの優位性を実験的に実証するための 2 つの重要な方式です。潘建偉氏のチームは、光量子情報処理において常に国際的にトップレベルにあります。 2017年、チームは初期の古典的コンピューターを上回る世界初の光量子コンピューティングのプロトタイプを構築しました。 2019年、チームはさらに、決定論的偏光、高純度、高均質性、高効率を備えた世界最高性能の単一光子源を開発し、20光子入力60モード干渉線のボーズサンプリングを達成し、出力ヒルベルト状態空間次元は1014に達し、「量子コンピューティングの優位性」に近づきました。

2020年、潘建偉氏のチームは、76個の光子と100個のモードを備えたガウスボソンサンプリング量子コンピューティングプロトタイプ「九章」の構築に成功しました。出力量子状態空間スケールは1030に達し、ガウスボソンサンプリングの処理速度はスーパーコンピュータの100兆倍も高速でした。同時に、Googleの「Platanus」超伝導プロセッサをベースにしたランダム回路サンプリング実験における量子優位性がサンプル数に依存するという抜け穴も克服した。

2021年、中国科学技術大学の潘建偉、陸朝陽、劉蕃楽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、量子光源の刺激増幅の理論的および実験的方法を開発し、 113個の光子と144個のモードを備えた量子コンピューティングプロトタイプ「九章2」を構築し、位相プログラム可能な機能を実現し、「量子コンピューティングの優位性」を実証するためのガウスボソンサンプリングタスクの迅速な解決を完了しました。九章2号は、当時最速のスーパーコンピュータよりも10の24乗倍高速にガウスボソンサンプリングを処理できます。

光子とはいったい何でしょうか?

光の量子は光子とも呼ばれます。この用語は、1905 年に発表された有名な論文でアインシュタインによって初めて提案されました。光子理論の大きな成功により、アインシュタインは 1921 年にノーベル物理学賞を受賞しました。

では、光子とは一体何なのでしょうか?日常生活において、光は人々にとって最も身近なものです。光がなければ、人は生きていくことができません。しかし、光の性質に対する人々の理解は困難で紆余曲折の道をたどってきました。

ニュートンに代表される理論によれば、物体が光を発するのは光の粒子（微粒子）の流れを放出しているからであり、私たちが光を見ることができるのは、これらの粒子が目に当たり視覚を引き起こすからであると考えられています。この理論によれば、光の反射現象は反射面における光粒子の弾性衝突の結果として説明されます。

しかし、ニュートンと同時代のホイヘンスは、物体から放射される光は一種の波であり、人々が通常観察する水波や音波とは異なると考えました。水波や音波はすべて、波を伝播するための媒体を持っています。水波の媒体は水であり、音波の媒体は空気またはその他の液体や固体です。光波の伝播は真空中で行われます。つまり、光波は真空を媒体として使用します。

2つの理論は当初から対立していましたが、科学界におけるニュートンの名声の高さにより、光の粒子理論が長い間優勢でした。ヤング、フレネル、フラウンホーファーによって新たに発見された光の干渉、回折、偏光現象が、ニュートンの光の粒子理論では説明できなかったホイヘンスの光の波動理論と一致するようになったのは、19 世紀初頭になってからでした。

光学機器の発達に伴い、光学理論も大きく進歩しました。マクスウェルが光波が電磁波であることを証明した後、光の波動理論は実験によって完全に確認されたように思われ、光が波であるという主張も人々に広く受け入れられました。

しかし、光が波であるという理論は、光電効果の実験結果の前では常に無力であるように思われてきました。いわゆる光電効果とは、金属の表面に光が照射されると、金属から電子が叩き出されることを意味します。 1872年にはモスクワ大学のストレトフがこの現象を発見し、後にドイツの物理学者ヘルツとレナードも研究を行った。人々が光の波動理論を使って光電効果を説明しようとしたとき、光の強度が増加すると、金属から弾き出される電子の速度も増加するはずだという結論に達しました。実験結果によると、同じ周波数の光を照射すると、光の強さに関係なく、観測されるすべての電子は同じ速度を持つことが示されています。言い換えれば、金属から弾き出された電子の速度は光の強度とは何の関係もありません。さらに、光の周波数が一定の限界値に達した場合にのみ、光条件下で電子が金属から飛び出します。さらに、電子が金属から飛び出せるかどうかは光の周波数に関係しており、つまり、紫色の光を照射したときに飛び出す電子の速度は、赤色の光を照射したときに飛び出す電子の速度よりも速いのです。したがって、光は波であるという主張は、実験に直面したときに問題に直面しました。

アインシュタインは独創的な思考で、光電効果をまったく異なる角度から研究しました。彼は光は光の量子であるという理論を提唱した。この理論によれば、光のエネルギーは不連続な最小単位エネルギーで構成されており、この単位エネルギーの大きさは光の周波数に正比例します。光は波のような周波数（または波長）を持ちますが、小さな「粒子」（個々のエネルギー単位）の特性も持っています。このように、光は単なるエネルギーの流れに過ぎず、その最小単位は光量子（光子）と呼ばれます。光が金属の表面に当たると、光は光子のエネルギーを電子に伝達し、光子は消滅します。電子は光子のエネルギーと自身のエネルギーを得て、金属から飛び出す可能性があります。光子のエネルギーは光の周波数にのみ関連しているため、特定の周波数よりも高い周波数の光だけが、金属から電子を叩き出すのに十分なエネルギーを提供できます。このように、光量子理論は光電効果を簡潔かつ明確に説明します。

アインシュタインの成功により彼はノーベル物理学賞を受賞しましたが、光の量子論は、100年以上前に始まった光の性質についての議論を人々に再び呼び起こしました。光とはいったい何なのか？それは波ですか、それとも粒子ですか?

物理学の発展により、光は時には波として現れ（光の干渉や回折など）、時には粒子として現れる（光の入射や反射など）という主張を人々は受け入れざるを得なくなりました。しかし、光は水波や音波のような波ではなく、また微粒子のような物質粒子でもありません。光は波動と粒子の二重性、つまり波動と粒子の二重性を持っています。

では、なぜ人々が太陽や他の光源から見る光は、部分的ではなく常に安定して連続しているのでしょうか?これは光量子のエネルギーが極めて小さいためです。これは、有名なプランク関係式 E=hv として数学的に表現できます。ここで、h はプランク定数と呼ばれ、その値は 6.62618×10-34 ジュール秒です。この値は非常に小さいですが、物理学の発展と光の性質に対する人々の理解において非常に重要な役割を果たしてきました。 25 ワットの電球を点灯し、放出された光を黄色の光とみなすと、この光線には 6×1019 個の光子のエネルギー単位が含まれます。言い換えると、この光線は 1 秒あたり 6×1019 個の光子、つまり 600 兆個のエネルギー単位を放出します。人間の目の視覚の持続性により、非常に多くの光量子が非常に高速で放射されると、人間の目は各光量子を個別に知覚することができず、連続した光線しか見えなくなります。

このことから、光量子は物質粒子ではなく、エネルギーの最小単位を指していることがわかります。光子のエネルギーはその周波数に関係していますが、それは私たちが通常目にするような変動ではありません。

一般的に、量子超越性の実験は一度きりの仕事ではなく、より高速な従来のアルゴリズムと常に改良される量子コンピューティング ハードウェアとの間の競争ですが、最終的には量子並列処理によって従来のコンピューターでは達成できないコンピューティング能力が生み出されることになります。

出典：科学普及 中国総合科学技術日報