「量子ティーカップ」のIQ税を払ったことがありますか？量子コンピューティング: ポストムーア時代のコンピューティング能力を向上させるソリューション

「量子」は現在注目されている研究分野となっています。観客として、「疑問があるときは量子力学に頼ろう」というジョークを使ったり、「量子ティーカップ」の IQ 税を払ったりしたことがあるかもしれません... しかし、量子テクノロジーとは正確には何でしょうか?知っていましたか？量子情報技術をテーマに、潘建偉院士のチームがこの科学普及記事を執筆しました。この記事では、量子情報技術に関する比較的完全な紹介と展望が提供されています。

量子コンピューティングは、量子力学に基づいた新しいコンピューティング モデルです。原理的には従来のコンピューティングをはるかに超える強力な並列コンピューティング機能を備えています。人工知能、暗号解読、天気予報、資源探査、医薬品設計などに必要な大規模な計算問題に対するソリューションを提供し、量子相変化、高温超伝導、量子ホール効果などの複雑な物理メカニズムを明らかにすることができます。

0 または 1 のビットを使用して情報を保存する従来のコンピュータとは異なり、量子コンピューティングでは、情報のエンコードと保存の基本単位として量子ビットを使用します。量子力学の重ね合わせの原理に基づくと、量子ビットは 0 と 1 の両方の状態が同時にコヒーレントに重ね合わされた状態になることができ、つまり、0 と 1 の 2 つの数値を表すために使用できます。拡張すると、n 個の量子ビットは 2n 個の数値の重ね合わせを表すことができるため、量子演算は原理的には 2n 個の重ね合わせ数値に対して同時に並列演算を実行できます。これは、2n 個の演算を実行する従来のコンピューターと同等です。したがって、量子コンピューティングは並列コンピューティングを根本的に実現する方法を提供し、従来のコンピューターの計算能力を大幅に上回る可能性を秘めています。

従来のコンピュータと同様に、量子コンピュータもチューリングマシンのフレームワークを使用して、量子ビットに対してプログラム可能な論理演算を実行することで一般的な量子演算を実行できるため、計算能力が大幅に向上し、指数関数的に加速されます。典型的な例は、1994 年に提案された高速素因数分解のための量子アルゴリズム (ショアのアルゴリズム) です。素因数分解の計算の複雑さは、広く使用されている RSA 公開鍵暗号システムのセキュリティの基礎となっています。たとえば、1 秒間に 1 兆回の演算を実行できる従来のコンピューターを使用して 300 桁の数字を分解すると、10 万年以上かかります。しかし、同じ計算速度を持つ量子コンピュータを使用してショアのアルゴリズムを実行すると、わずか 1 秒しかかかりません。したがって、量子コンピュータの開発に成功すれば、従来の情報セキュリティシステムに大きな影響を与えることになります。

量子コンピューティングの発展段階

量子コンピュータの計算能力は量子ビットの数に応じて指数関数的に増大するため、量子コンピューティング研究の中心的な課題は複数の量子ビットの一貫した操作です。量子ビットのコヒーレントな操作の規模に基づいて、国際学術界は一般的に、量子コンピューティングには次の開発段階があると認識しています。

第一段階は、「量子コンピューティングの優位性」を達成することです。つまり、特定の問題に対する量子コンピュータの計算能力が、従来のスーパーコンピュータの計算能力を超えることです。この目標を達成するには、約 50 個の量子ビットの一貫した操作が必要です。 2019年、アメリカ企業のグーグルは超伝導回路システムで「量子コンピューティングの優位性」を初めて達成した。我が国は2020年に光子量子システムで、2021年に超伝導回路システムで「量子コンピューティングの優位性」を達成しました。現在、我が国は2つの物理システムでこのマイルストーンを達成した世界で唯一の国です。

第二段階は、専用の量子シミュレータを実現すること、つまり数百の量子ビットをコヒーレントに操作し、組み合わせ最適化、量子化学、機械学習などの特定の問題に適用して、材料設計、医薬品開発などを導くことです。この段階に到達するには5年から10年かかり、現在の主要な研究課題です。

第三段階は、プログラム可能な汎用量子コンピュータを実現することです。つまり、少なくとも数百万の量子ビットをコヒーレントに操作することです。これは、古典的な暗号解読、ビッグデータ検索、人工知能などで大きな役割を果たすことができます。量子ビットは環境ノイズの影響を受けやすく、エラーを引き起こす可能性があるため、大規模な量子ビットシステムの場合、量子エラー訂正を通じてシステム全体の正しい動作を保証することが避けられない要件であり、これはしばらくの間直面する主な課題でもあります。技術的な困難さから、汎用量子コンピュータがいつ実現されるかは不明です。国際学術界では一般的に、15年かそれ以上かかると考えています。

現在、スケーラブルな量子コンピューティングの実現が期待されるさまざまな物理システムについて、体系的な研究が国際的に行われています。我が国は、すべての重要な量子コンピューティングシステムの研究レイアウトを完了しており、欧州連合と米国を含む完全なレイアウトを備えた3つの国（地域）の1つとなっています。

超伝導量子コンピューティングが追いつく

現在、Google、IBM、中国科学技術大学が超伝導量子コンピューティング研究の世界トップ3です。 2019年10月、10年以上にわたり量子コンピューティングに継続的に多額の投資を行った後、Googleは実験により「量子コンピューティングの優位性」が証明されたと正式に発表した。彼らは 53 個の超伝導量子ビットを含む量子プロセッサを構築し、それを「Sycamore」と名付けました。ランダム回路サンプリングという特定のタスクにおいて、「Planeta」はスーパーコンピュータをはるかに超える計算能力を発揮しました。

2021年5月、中国科学技術大学は当時世界最大の量子ビット数を誇る62ビット超伝導量子コンピューティングプロトタイプ「祖崇志」を構築し、プログラム可能な2次元量子ウォークを実現した。これを基に、66ビットの「祖崇志2号」がさらに実現されました。 「祖崇志2号」は、あらゆる量子アルゴリズムを実行するプログラミング機能を備えており、量子ランダム回路サンプリングの高速解を実現します。現在公開されている最適化された古典アルゴリズムによれば、「祖崇志2号」は量子ランダム回路サンプリング問題を現在利用可能な最速のスーパーコンピュータの1000万倍の速度で処理でき、その計算複雑度はGoogleの「Platanus」の100万倍である。

他のシステムにおける量子コンピューティングの研究

イオンやシリコンベースの量子ドットなどの物理システムも、マルチビット拡張やフォールトトレランスの可能性があり、国際的な量子コンピューティング研究でも注目されています。私の国はイオンシステムにおける量子コンピューティングの研究を遅れて開始し、現在は全体として追い上げている状態です。中国の主要な研究機関としては、清華大学、中国科学技術大学、国立国防科学技術大学などがある。イオントラップの作成、単一イオンのコヒーレンス保持時間、高精度の量子論理ゲート、マルチビット量子エンタングルメントなど、量子コンピューティングの基本要素における多数の重要な技術を蓄積してきました。私の国は、シリコンベースの量子ドットを使用した量子コンピューティングの分野では主要な国際研究陣と同等のレベルにあります。さらに、トポロジカル量子コンピューティングはフォールトトレランスに優れているため、トポロジカルシステムを使用して汎用的な量子コンピューティングを実現することは、国際的に重要な長期研究目標です。現在、国内外で単一のトポロジカル量子ビットの「0→1」ブレークスルーの実現に向けた取り組みが進められています。

量子コンピューティングの未来

「量子コンピューティングの優位性」という段階的な目標を達成した後、量子コンピューティングの今後の発展は、次の 2 つの側面に重点が置かれることになります。

まず、量子コンピューティングのパフォーマンスを継続的に向上させます。フォールトトレラントな量子コンピューティングを実現するためには、まず量子コンピューティングシステムの規模をいかに高精度に拡大するかが第一に考えられます。量子ビットの拡張を実現する上で、ビットの数と質は極めて重要です。実験におけるすべてのリンク（量子状態の準備、操作、測定）は、高精度と低ノイズを維持する必要があります。量子ビットの数が増えると、ノイズやクロストークなどの要因によって発生するエラーも増加します。これは量子システムの設計、処理、制御に大きな課題をもたらし、科学と工学からの多くの共同作業を必要とします。

2つ目は量子コンピューティングの応用を探ることです。量子コンピューティングは今後 5 年間で数千ビットを超えると予想されています。フォールトトレラントな一般的な量子コンピューティングは当面実現できませんが、科学者たちはノイズ量子コンピューティング (NISQ) 段階を研究し、量子コンピューティングを機械学習や量子化学などの分野に適用して、近い将来のアプリケーションを形成することを望んでいます。