世界量子デー |なぜ科学者にとってそれが理解しにくいのでしょうか?量子の謎を解明

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ニューメディア編集者ドゥアン・ダウェイが編集

4月14日は世界量子デーです。世界量子デーが 4 月 14 日に選ばれた理由は、プランク定数が 4.135667696×10-15eV·s であり、これはおよそ 4.14 であるためです。ただし、この数値は現在、より正確な別の長い数値列に修正されています。国際単位を使用する場合、プランク定数は 6.62607015×10-34J·s です。これは、2021年に65か国以上の科学者によって開始されたイニシアチブです。毎年 4 月 14 日は「世界量子デー」として指定され、量子技術に対する人々の関心と熱意を刺激し、量子科学が社会に与えてきた、そして与えるであろうプラスの影響について一般の認識を高めます。量子技術に焦点を当てた国際イベントです。量子とは何ですか?それは私たちにどのような変化をもたらしましたか?私の国における量子技術の現状はどうなっていますか?

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「神秘的な」量子の世界

量子技術を理解するには、まず量子から始めなければなりません。量子とは何ですか?量子論によれば、量子は物質の最も基本的な単位であり、エネルギーの最も基本的な媒体であり、分割不可能です。物事が最小の分割できない基本単位を持っている場合、それは量子化されていると言え、その最小単位を量子と呼ぶことができます。

分子、原子、電子、光子など、人間がよく知っているすべての微小な粒子は、量子現象の一種です。

中国科学院物理研究所の研究員である曹則賢氏は、2020年大晦日の科学講演で、光やエネルギーなど、私たちが生活の中で見たり知覚したりできるものの最小単位は量子と呼べるという類推を示したことがある。ちょうど、魚の群れを遠くから見ると、巨大な黒い塊のように見えますが、拡大すると個々の魚が見えます。これは魚群の量子構造と言えます。

中国科学技術大学の准研究員で科学普及の専門家である袁蘭鋒氏の見解では、量子の本来の意味は数学的概念であり、簡単に言えば「離散的変化の最小単位」である。

離散的変化とは何ですか?袁蘭鋒はこう説明しました。「人数を数えると、1人か2人はいるかもしれませんが、半分の人や3分の1の人はいないのです。」階段を登るとき、一度に半段や 1/3 段ではなく、1 段か 2 段しか登れません。これらは「個別の変更」です。人を数える目的においては、人は量子です。階段を登る場合、一歩は 1 つの量子です。何かが離散的な量でのみ変化できる場合、それは「量子化されている」と言われます。

私たちが知っているマクロな世界とは異なり、量子というミクロな世界における多くの実験的現象は常識に反し、古典物理学では全く説明できないことが発見されました。たとえば、古典物理学によれば、物体の状態 (0 と 1 で表される) は最も単純な 2 進数のオンとオフのようなもので、オンまたはオフの状態のどちらか、つまり 0 または 1 のいずれかしかとれません。これは、生きているか死んでいるかのどちらかである猫のようなもので、同時に「生きていると死んでいる」ということはあり得ません。

しかし、この理論は量子の世界には当てはまりません。量子の世界では、猫は生きている状態と死んでいる状態が重ね合わさった状態にある可能性があります。このいわゆる量子コヒーレント重ね合わせは、量子の世界と古典の世界の根本的な違いです。

さらに驚くべきことは、この重ね合わせ状態が極めて脆弱であるということです。誰かがそれを測定すると、すぐに重ね合わせ状態から確定状態へと変化します。

これを理解するには、粒子と、左側に 1 つ、右側に 1 つずつ配置された 2 つの検出器があると仮定します。粒子を左に送ると、左の検出器が作動します。粒子を右に送ると、右側の検出器がカチッという音を出します。しかし、量子力学では、それ以上のことが可能になります。つまり、粒子を同時に 2 つの状態にすることができるのです。たとえば、ビームスプリッターを介して粒子を送り、左右に移動できるようにすることができます。物理学者は、粒子は左と右の「重ね合わせ」状態にあると言います。

アメリカの物理学者でノーベル賞受賞者のマレー・ゲルマン氏はかつて、量子力学は神秘的で捉えどころのない分野であると嘆いたことがある。私たちの誰もそれを本当に理解することはできませんが、それをどのように使うかだけは知っています。

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変化をもたらす量子技術

量子は神秘的に思えますが、量子技術は実は人間からそれほど遠いものではありません。量子技術は豊かな技術と応用をもたらし、人類の文明と歴史に大きな変化をもたらしました。

量子技術は情報革命のハードウェア基盤を提供します。レーザー、半導体トランジスタ、チップの原理はすべて量子力学に由来しています。量子力学は、磁気ディスクや光ディスクへの情報保存、発光ダイオード、衛星測位やナビゲーションなどの新しいテクノロジーも可能にします。量子力学がなければ、インターネットやスマートフォンは存在しなかったでしょう。

量子技術は、X 線、電子顕微鏡、陽電子消滅、光および磁気共鳴イメージングなど、材料科学技術、医学、生物学のための分析ツールも提供します。つまり、量子は私たちの古くからの友人なのです。実際、1990年代にノーベル賞受賞者のレーダーマンは、量子力学が当時の米国のGDPの3分の1に貢献したと指摘しました。今ではその割合はさらに高くなっており、量子と関係のない新しい技術を見つけるのは困難です。量子力学は現代文明の重要な基盤であることがわかります。

量子力学に基づくこれらのより伝統的な科学技術の成果は、比較的成熟した段階にまで発展しました。現在、量子技術の発展は大きな科学的意義と戦略的価値を持ち、新たな科学技術革命と産業変革の方向を導くことになるでしょう。

量子状態のこれらの特性をより正確に設計し、操作することで、第 2 次量子技術革命において、従来の技術システムに影響を与え、それを再構築する大きな破壊的技術革新が達成されると期待されています。代表的な分野としては、量子コンピューティング、量子通信、量子精密計測などが挙げられます。量子状態の精密な操作の実現は、蒸気機関、発電機、半導体トランジスタの発明と同様に、人類の生産性の発展を促進すると言えるでしょう。

来たる第2の量子技術革命を前に、私たちは一方ではそれがもたらす驚きを期待し、他方ではこの発展の機会を捉える準備も万端に整えておかなければなりません。中国科学院の薛其坤院士は「科学者たちは量子科学の分野で新たな境地を開拓している。量子技術が人類に真に利益をもたらすためには、より革新的な起業家、起業家、投資家などの参加が必要だ」と述べた。

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中国の量子技術は「第一陣」に進出

中国科学院院士で、同院量子情報重点実験室長の郭光燦氏は「量子の3大分野では、現在、あらゆる面で最前線に立っている。量子コンピューティングはかつては比較的遅れていたが、現在は徐々に追い上げている」と語った。

量子コンピューティングには「無限の可能性」がある

量子力学の誕生と発展は、「コンピューティング」に新たな可能性をもたらしました。科学者による量子力学の基本原理の理解が深まるにつれ、重ね合わせやエンタングルメントなどの量子力学のいくつかの基本的な特性が、情報の符号化および処理能力を大幅に向上できることが発見されました。適切に設計された「量子アルゴリズム」は、大幅なコンピューティング高速化機能をもたらすことができます。

昨年12月21日、アメリカ物理学会の物理学ウェブサイトは、2021年の国際物理学分野における10の大きな進歩を発表した。中国科学技術大学の潘建偉、朱暁波、陸朝陽らが完成させた量子コンピューティングの優位性実験「祖崇志2号」と「九章2号」が選ばれた。これにより、我が国は、2つの物理システムで同時に「量子コンピューティングの優位性」というマイルストーンに到達した世界で唯一の国となります。

（写真提供：Anhui.cn）

▲「九丈2号」の全体設置図。 （画像提供：中国科学技術大学）

「量子超越性」は閾値のようなものです。これは、新しい量子コンピューティングのプロトタイプの計算能力が、特定の問題に関して最も強力な従来のコンピューターの計算能力を超えた場合、将来多くの面で他を上回る可能性があることが証明されることを意味します。

昨年10月、「九章2号」は世界最速のスーパーコンピュータよりも10の24乗（10億倍）速くガウスボソンサンプリングを解いた。 「祖崇志2号」の計算複雑度は、グーグルが打ち上げた「プラタナス」の100万倍である。我が国の「量子優位性」が注目を集めています。

「今や、我々の量子コンピューティングも世界初の段階に入ったと言える。」 「九丈2号」と「祖崇志2号」は中国科学技術大学の潘建偉院士のチームによって開発されたと、「九丈2号」のチームメンバーでプロジェクトリーダーの陸朝陽氏は語った。

「安全で信頼できる」量子通信

最近、北京量子情報科学研究所と清華大学の龍桂路教授と陸建華教授のチームが協力し、位相量子状態とタイムスタンプ量子状態の混合エンコーディングを使用する新しい量子直接通信システムを設計し、実装しました。通信距離は100キロメートルに達し、これは現在世界最長の量子直接通信距離となります。

▲新しい量子直接通信システムの原理模式図（写真提供：北京科学技術ニュース）

従来の通信方法は、暗号化アルゴリズムまたは暗号化技術に基づいています。計算能力が十分に強力で、暗号化アルゴリズムが解読された場合、盗聴される危険性があります。量子のユニークな特性により、非複製性や不確実性などの「生来の利点」がもたらされます。量子「鍵」を使用して情報を送信することで、暗号化されたコンテンツは解読できず、盗聴者は必然的に「捕まる」ため、盗聴者が信号を取得することは不可能になり、送信された情報は原理的に計算によって解読できないため、絶対的なセキュリティが確保されます。

「データ精度の高い」量子測定

2018 年 11 月 13 日、第 26 回国際度量衡会議において、プランク定数、素電荷、ボルツマン定数、アボガドロ定数の 4 つの基本定数に対応する、キログラム、アンペア、ケルビン、モルの 4 つの基本単位が再定義されました。投票後、2019年5月20日の世界計量デーに正式に施行される予定です。この国際単位系の再定義は、国際単位系と精密測定の量子時代の到来を意味し、広範囲にわたる影響と大きな意義を持っています。つまり、量子計測は時間と周波数の単位に基づいており、基本的な物理定数を仲介として使用して基本単位または派生単位の再現を実現します。

国際度量衡会議は、国際的な計測単位を統一し、計測精度を向上させるために、量子化の観点から 7 つの基本的な物理単位を再定義しました。これらの定数が統一的に定義されると、国際度量衡局の物理的基準に遡ることなく、物理量の単位を世界中どこでも再現できるようになり、「測定単位の量子化と量値のトレーサビリティの平坦化」という目標が真に実現されます。

▲7つの国際基本単位の量子化定義（写真提供：新華網）

物理単位を量子化すると、測定精度が大幅に向上します。時間の単位「秒」と周波数の単位「ヘルツ」を例にとると、量子化後、その精度は100万分の1から1兆分の1に向上し、光時計の周波数の不確実性は1兆分の1まで低くなっています。これらの成果により、衛星ナビゲーション、コンピュータ、インターネットの急速な発展が促進されました。さらに、長さの単位「メートル」が量子化されてからは、測定誤差が0.1ミクロン（1万分の1ミリメートル）から数千倍にまで急速に拡大し、戦闘機などの航空宇宙技術の向上を促しました。

量子精密測定の分野において、中国の科学研究レベルと技術応用は欧米諸国と同等であり、それぞれ独自の優位性を持っています。近年、我が国は、ハイゼンベルグ限界精度での単一光子カー効果測定、200キロメートル単一光子三次元イメージング、室温水溶液環境における単一DNA分子の磁気共鳴スペクトルの検出など、大きな成果を達成しました。さらに、中国はダイヤモンドNVカラーセンター技術をベースにした量子ダイヤモンドシングルスピン分光計や量子ダイヤモンド原子間力顕微鏡などの革新的な製品を開発しました。

量子技術は急速に発展していますが、その開発と応用の見通しには依然として長期的な影響と不確実性が残っています。中国情報通信科学院技術標準研究所の頼俊森博士は、量子コンピューティングを例に挙げ、誤り訂正可能な論理量子ビットの閾値はまだ超えておらず、大規模な汎用量子コンピューティングは依然として長期的な目標であり、量子コンピューティングシステムのアーキテクチャとソフトウェアシステムはまだ初期の探索段階にあると紹介した。労働環境に対する要件は依然として非常に厳しいです。超伝導、光子、イオントラップ、半導体、トポロジーなどの複数の技術的ルートが並行して発展しています。将来的にどのルートが「勝利」するかはまだ不明です。

したがって、量子技術の将来は明るいが、決して平坦な道ではない。困難や障害を恐れないことによってのみ、私たちは新たな「量子ピーク」に到達し、新たな優位性を築くことができます。

（出典：「中国科学院物理研究所」、「原理」WeChat公式アカウント、新華網、人民日報、北京科学技術ニュースなど）

制作：サイエンス・セントラル・キッチン

制作：北京科学技術ニュース |北京科学技術メディア

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