潘建偉：量子技術は国家戦略に関係しており、継続的なブレークスルーとイノベーションを通じてのみ達成できる

▲ 2015年5月26日、潘建偉氏は上海科学技術研究所の研究室で設備のデバッグを行っていた。写真：張端/本誌

◆「九章」と「祖崇志II」の成果により、わが国は両物理システムで「量子コンピューティングの優位性」を達成した唯一の国となり、量子コンピューティング研究の国際的最前線における地位を確固たるものにしました。

原題：中国科学院院士潘建偉氏：量子技術は国家戦略に関係しており、継続的なブレークスルーとイノベーションを通じてのみ達成できる

文丨Outlook News Weeklyの記者、徐海涛、周昌、陳諾

2016年8月には量子科学実験衛星「墨子号」が宇宙に打ち上げられ、我が国は世界の量子通信研究において主導的な地位へと一歩前進しました。 2020年12月、中国科学技術大学は、同校の潘建偉氏らが76光子量子コンピューティングのプロトタイプ「九章」の構築に成功し、中国が世界で2番目に「量子コンピューティングの優位性」を達成したと発表した。 2021年10月には、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のプロトタイプ「Jiuzhang-2」が発表されました。

「墨子」から「九章2号」まで、中国科学院院士の潘建偉氏の心の中で変わらないのは、量子の世界の探究とわが国の量子技術の発展の追求である。

潘建偉氏はOutlook News Weeklyに対し、量子技術は国家戦略に関係していると語った。 「国の大事」を念頭に置き、我々は引き続き突破口と革新を起こし、より柔軟で効率的、かつ資源を統合した協働的革新の道を模索し、我が国の量子技術開発が常に世界の最前線に留まるように努めなければなりません。

「中国人も優れた科学研究を行うことができる」

「展望」：世界初の量子科学実験衛星はなぜ「墨子」と名付けられたのか？

潘建偉：今、打ち上げのビデオを見てとてもリラックスした気分ですが、実は打ち上げの30秒前には、衛星が無事に宇宙に突入することを願いながら、両手を握りしめていました。この衛星は、墨子が中国の歴史における「科学の聖人」であったことから「墨子」と名付けられた。中国人も優れた科学研究を行うことができるということを皆様に伝えたいです。

墨子は2,400年前に生きた。彼は普遍的な愛と非侵略、つまり平等と友愛を主張し、戦争に反対した。 『墨経』では、「止まるのは時間が長いからで、止まらないのは時間が長いからではない」と説いており、物体が止まる原因は主に力の作用によるものだとしている。抵抗がなければ、物体の動きは決して止まりません。これは実際にはニュートンの運動の第一法則と同じ概念です。さらに、墨子は2,000年以上前にピンホール画像化実験を行っていました。この現象は光が直線的に伝播する場合にのみ発生することが分かっています。

世界初の量子科学実験衛星を「墨子」と名付けたのは、一方では墨子の光学研究における功績を記念し、他方では私たちの文化的自信を示すためでした。

「展望」：「墨子」はどのような役割を果たしているのか？

潘建偉：量子衛星を利用して量子通信ネットワークを構築すれば、光ファイバーが届きにくい、あるいは届かない世界中のさまざまな島、外洋船舶、海外機関などの場所をカバーでき、我が国の全世界における情報伝送の安全性を確保することができます。 「墨子」の実験により、この実現可能性は十分に検証されました。

「墨子」は3つの主要な科学実験任務を無事に完了した。これに基づいて、「墨子」と「北京・上海幹線」のドッキングが完了し、大陸間の量子セキュア通信が実現しました。さらに、「Mozi」は量子力学と重力の統合など、物理学の基本的な問題をテストするための新しいプラットフォームも提供します。

量子コンピューティング研究は国際的に最前線にある

「展望」：量子コンピューティングのプロトタイプ「九章」の構築に成功した意義は何でしょうか？

潘建偉：当時の最高の古典的アルゴリズムによれば、ガウス粒子サンプリング問題に対する九章の計算速度は、世界最速のスーパーコンピュータである富岳の100兆倍速く、世界で2番目に「量子コンピューティングの優位性」を達成したコンピュータとなりました。 「九章」という名前は、有名な古代中国の数学論文「九章算書」を記念して選ばれました。

2020 年にこの画期的な成果を達成するには、実に 20 年もの努力が必要でした。 「九章」の躍進は、主に高品質の量子光源、高精度位相同期技術、大規模干渉技術という3つの大きな技術的困難を克服した。

今年初めから、私たちのチームは一連の概念的・技術的革新を進め、最近「九章2号」の開発に成功しました。私たちは3つの大きな進歩を遂げました。まず、量子光源の収量、品質、収集効率を大幅に向上させ、光源の主要指標を63％から92％に引き上げました。第二に、多光子量子干渉回路が100次元から144次元に増加し、操作できる光子の数が76個から113個に増加しました。第三に、新しいプログラム可能な機能が追加されました。

結果は、「九章2号」の計算能力が大幅に向上したことを示しています。これまでに発表された最良の古典的アルゴリズムによれば、「九章2号」がガウス粒子サンプリング問題を解く処理速度は、世界最速のスーパーコンピューターの10億倍、光子76個の「九章」の100億倍である。現時点では、「九章2号」は「単独のチャンピオン」に過ぎず、ガウスボソンサンプリングの特定の問題しか解決できないが、この問題の解決法はグラフ理論、量子化学などの分野で潜在的な応用価値がある。

「展望」：量子コンピューティングには複数の技術的ルートがあります。私の国の超伝導量子コンピューティングのレイアウトはどうなっていますか?

Pan Jianwei: 光量子コンピューティングに加えて、超伝導量子コンピューティングの方向にも優れた計画を持っています。

今年5月には、当時としては最大の超伝導量子ビット数を持つ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ました。 「祖崇志」をベースに、新たなフリップチップ3Dパッケージングプロセスを採用し、大規模ビット集積の問題を解決し、「祖崇志2号」の開発に成功し、66データビット、110カップリングビット、11ウェイ読み取りの高密度集積を実現しました。量子プログラミングを通じて、量子ランダム回路のサンプリングを実現し、任意の量子アルゴリズムを実行する Zu Chongzhi-2 のプログラミング機能を実証しました。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、現在利用可能な最速のスーパーコンピュータよりも1000万倍以上高速に量子ランダム回路サンプリング問題を処理でき、Googleの同型プロトタイプ「Sycamore」よりも約4万倍高速です。

「九章」と「祖崇志II」の成果により、わが国は両物理システムで「量子コンピューティングの優位性」を達成した唯一の国となり、量子コンピューティング研究の国際最前線における地位を確固たるものにしました。

量子情報戦略技術の推進

「展望」：量子情報技術の発展は私たちに何をもたらすのでしょうか？

潘建偉：量子情報技術は我が国の戦略技術であるだけでなく、欧米の主要先進国にとっても重要な戦略レイアウトとなっています。トランジスタがコンピューターの基礎であるように、レーザー技術は現代のインターネットの重要なサポートであり、ナビゲーション技術の発展は原子時計などの精密測定技術のサポートと切り離せないものです...量子力学の確立は、現代の情報技術の発展に直接つながりました。 100 年以上の発展を経て、量子力学は現在私たちが直面している問題のいくつかを解決するための技術的な準備を整えてきました。

量子通信は原理的に無条件に安全な通信方法を提供し、既存の情報システムのセキュリティを大幅に向上させることができます。

量子コンピューティングの計算能力は、量子ビットの数に応じて指数関数的に増加します。量子コンピューティングの並列演算能力は、大きな数を因数分解したり、線形方程式の連立方程式を解いたりするのに使用できます。たとえば、従来の兆倍コンピュータを使用して 300 桁の数を因数分解するには 15 万年かかりますが、量子兆倍コンピュータを使用すると 1 秒しかかかりません。そのため、量子コンピューティングは大きな可能性を示しており、古典的なコードの解読、天気予報、財務分析、薬物設計、新エネルギーや新材料のメカニズムの解明など、さまざまなアプリケーションに使用できます。

展望：次の目標は何ですか？

潘建偉：量子コンピューティングの分野では、国際学術コミュニティが3段階の目標を定めており、第1段階の目標は達成されました。第二段階は、量子誤り訂正の原理実装を完了し、数百の量子ビットをコヒーレントに操作できる専用の量子シミュレーターを開発することです。これは、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でき、材料設計、医薬品開発などを導くことができます。この段階に到達するには5〜10年かかり、現在の主要な研究課題です。

量子通信分野では、10年から15年の取り組みを通じて完全な宇宙地上統合型広域量子通信技術を開発し、金融、政府、エネルギーなどの分野で量子通信の広範な応用を推進したいと考えています。同時に、広域量子通信から発展した高精度光量子伝送技術と宇宙量子科学実験プラットフォームを活用して、高精度な時間・周波数伝送ネットワークを構築し、次世代の「秒」の定義に重要な貢献をします。これを基に、重力波検出や暗黒物質探索といった物理学の基礎問題に関する研究を進めていきたいと考えています。

2021年Outlook第51号に掲載

出典: Outlook

エグゼクティブプロデューサー |石香州

プロデューサー |ヤン・ユエ

編集者 |唐多多