1. 量子覇権を達成するための中国の量子コンピューター「9つの章」
2020年12月、中国科学技術大学は、同校がフォトニック量子コンピューティングプロトタイプの「9章」の構築に成功したと発表した。「Nine Chapters」は、中国科学技術大学、上海マイクロシステム研究所、中国科学院、国立並列計算機工学技術研究センターの潘建偉氏のチームと協力して完成した。「Jiuzhang」という名前は、中国史上最も重要な数学著作「算術九章」に由来しており、「Jiuzhang」にちなんで命名された新しいコンピュータは、中国人の「計算能力と速度」の超高度な追求を表しています。
2020年12月、中国科学技術大学のPan Jianwei氏とLu Chaoyang氏で構成される研究チームは、中国科学院上海マイクロシステム研究所、国立並列コンピュータ工学技術研究センターと協力して論文を発表した。 Science で「光子を使用した量子計算の利点」と題され、 76 個の光子を備えた量子コンピューティング プロトタイプ「Jiuzhang」、実用的な見通しを持つ「ガウス ボーズ サンプリング」タスクの高速解決が実現されました。
「Nine Chapters」はスーパーコンピューター「Fuyue」のガウスボーズサンプリング処理よりも100兆倍速く、「6億年かかります。
Googleがリリースした53超電導ビットの量子コンピュータ「プラタナス」がランダムラインサンプリング問題(ボーズサンプリングではない)を計算すると、100万サンプルの処理にわずか200秒しかかからない「プラタナス」、スーパーコンピュータサミットは2日かかるが処理中に100億サンプルの「Platanus」では20日かかるが、スーパーコンピュータSummitではまだ2日で済み、「Platanus」の優位性は失われる。ガウスボーズサンプリング問題では、量子コンピューティングの優位性はサンプル数に依存せず、つまり「Nine Chapters」の速度は「Plananus」の100億倍となります。
この画期的な進歩により、中国は「量子超越性」を達成した世界で2番目の国となる、GoogleのSycamoreが初めて「量子超越性」を達成しました。量子超越性とは、特定のタスクについて、量子コンピューターがそれを迅速に解決できるが、現在の従来のコンピューターでは許容可能な時間内にタスクを完了できないことを意味します。
2. 光量子コンピュータの原理
「九張」は光子の量子コンピューティングであり、光量子コンピュータは通常、単一光子源、単一光子光スイッチ、光量子回路、単一光子検出器の4 つの部分で構成されます。単一光子源から単一光子が放出され、その単一光子は光子回路を通って単一光子検出器に伝送され、最終的に単一光子検出器から計算結果が出力されます。光量子コンピューティングの構造の概略図は次のとおりです。
上の図では、単一光子デバイスは単一光子源、デマルチプレクサは単一光子光スイッチ、超低損失光子
回路は光量子回路、検出器は単一光子検出器です。
単一光子源
単一光子源は、単一の光子を放出する光源です。コヒーレント光源（レーザー）や熱光源（電球）などの従来の光源には巨視的（膨大な数）の発光ユニットが含まれており、その巨大な発光ユニットが発光することはありません。光子は時系列で 1 つずつ、常に一度に宇宙に放出されます。単一光子源は独立した発光ユニットです。光を放射したい場合は、励起状態に励起されてから基底状態に戻る必要があります。この遷移プロセスで光子が放射されます。複数の光子を同時に放出する理想的な単一光子源 システム内で光子を検出するために検出器が使用される場合、単一光子システムで 2 つの検出器が同時に光子を受信することは不可能です。
単一光子光源は、InAs/GaAs自己設置半導体量子ドットに基づいて実現でき、特定の周波数のパルス励起下で、量子ドットは毎秒約数千万個の偏光および共鳴単一光子を放出します。単一光子の高純度およびコヒーレンスを得るには、光と影のシステムを 6K 以下に冷却する必要があります。
単一光子光スイッチ
単一光子光スイッチは、ポッケルスセル（Pockels cell）と偏光素子から構成できます。ポッケルスセルとは、内部に光を透過する電気光学結晶を内蔵し、電気光学結晶に電圧を印加することでポッケルス効果により光の偏光方向を制御する電気光学素子です。ポッケルス セルと偏光デバイスはビーム スプリッターを形成し、単一の光子を複数の空間モードに分割します。
光量子回路 光量子
回路は、複数の小さな台形チャネルで構成される干渉計であり、入力光子状態の近似ユニタリ変換を実現し、検出デバイスに出力できます。このコンポーネントは光子量子の「アルゴリズム」を実装しており、異なる光子量子回路を設計することで異なる光子量子アルゴリズムを実現できます。
単一光子検出器
単一光子検出器は、シリコン単一光子検出器と時間デジタル変換器 (TDC) で構成されます。シリコン単一光子検出器は、内部にシリコンフォトダイオードを有しており、光子を受光すると電気信号を出力することができる。時間 - デジタル コンバーターは、時間値を測定するために使用されます。
光量子コンピュータの動作プロセス
単一光子源から単一光子が放出され、その単一光子は光ファイバーを通じて単一光子光スイッチに送られ、単一光子光スイッチは単一光子を複数の空間モードに分割します。分割された単一光子は光量子回路に入力され、その単一光子は光量子回路内で「アルゴリズム」演算を実現し、光量子回路は光子演算の結果を単一光子検出器に出力し、これを利用して、光量子計算結果を検出します。操作プロセスの概略図は次のとおりです。
3. 光量子コンピュータの「9つの章」
光量子コンピュータの「9 章」は、光量子ハードウェアと光量子アルゴリズムの 2 つの部分で構成されます。
フォトニックハードウェア
「Nine Chapters」の光量子ハードウェアは、GBS 量子光源、光スイッチ、光量子回路、単一光子検出器の 4 つの主要コンポーネントで構成されます。GBS の量子光源は、
Mira 900、パルスシェイパー、RegA から構成されるカスタム設計のレーザーシステムであり、ポンプレーザーは 9000 によって生成され、そのスペクトルと空間は、変身限界に達してしまう。パルスレーザー光は 13 のパスに分割され、25 個の PPKTP 結晶に収束され、それぞれが波長調整のために熱電冷却器 (TEC) 上に配置されました。変換された光子はダイクロイック ミラー (DM) によって分離され、異なる偏光の飛行時間は KTP 結晶によって補償されます。概略図は次のとおりです。
アクティブ位相同期システムの概略図は次のとおりです。ポンプレーザー光をすべての光子状態の基準として使用し、光子が2mの自由空間と20mの光ファイバーを伝播した後、ポンプ光と変換された光子がダイクロイックミラーで分離され、基準レーザーパルスで収束します。ビームスプリッター上で。
光量子アルゴリズム
光量子アルゴリズムはボソン サンプリング アルゴリズムであり、ボソン サンプリングは量子の世界でのゴルトン プレートとして理解できます。ゴルトンボード問題はイギリスの生物統計学者ゴルトンによって提案されました。ボールを上から投げると、ボールがネイルボードを通過するたびに、左から落ちる確率が 50%、右から落ちる確率が 50% あります。 . 居場所。多数の小さなボールが上から下にランダムに落ちた場合、一番下のグリッドに落ちる小さなボールの数は特定の統計法則を示します。この問題のモデルを次の図に示します。
ゴルトニアン ペグボードの量子バージョンは、ボールの代わりに光子を使用し、ペグボードの代わりにビーム スプリッターを使用して開発できます。モデルを次の図に示します。
光子の分布確率「ボーズサンプリング」は、n次元行列の積和公式の絶対値に比例し、計算量の観点から見ると、解く難易度はP-hardとなります。スーパーコンピューターが計算を完了するには非常に長い時間がかかります。たとえば、スーパーコンピューターが 5,000 万のサンプルをサンプリングするには 6 億年かかります。
ボソンサンプリング実験結果
「9章」のボソンサンプリング実験の結果は以下の通りです。
(A) 3 つの tmss 入力による実験 (赤) と理論 (青) の 2 光子分布。
(B) 23 の異なる入力に対する 2 光子分布の統計的忠実度と総変動距離。
(C) すべての 25 TMSS の出力光子数分布。
(D) 出力状態空間の次元の概要。
(E) 光子数分布 (赤)、熱状態 (青)、および識別可能な SMSS (紫) の実験結果。
(F) すべての 2 モードの組み合わせの 2 光子相関統計。
(G) 熱状態仮説の検証アッセイ。
(H) 一様分布の検証。
4.九漳技術チーム
Photon の量子コンピューティング プロトタイプ「Nine Chapters」の技術チームは、中国科学技術大学、上海マイクロシステム研究所、中国科学院、国立並列コンピュータ工学技術研究センターの潘建偉氏のチームです。
潘建偉
潘建偉氏は、主に量子光学、量子力学、量子情報の研究に従事しており、特に量子通信、多光子もつれ操作、冷原子量子記憶装置のイノベーション貢献などの研究方向において、この分野で国際的な影響力を持つ学者である。 。Nature、Science、PNAS、Physical Review Letters などの重要な国際学術誌に 180 以上の論文を発表し、権威ある国際評論誌 Reviews of Modern Physics から多光子もつれ実験と量子通信セキュリティに関する評論を執筆するよう招待されました。現実的な条件の紙。
潘建偉氏の履歴書は以下のとおりです。
中国科学院上海マイクロシステム研究所
中国科学院上海マイクロシステム研究所の正式名称は、中国科学院上海マイクロシステム情報技術研究所であり、その前身は 1928 年に設立された中央研究院工学研究所です。中国の工学研究機関。2001 年 8 月、科学研究分野と技術開発目標の調整に応じて、中国科学院上海マイクロシステム情報技術研究所に改名されました。中国科学院上海マイクロシステム情報技術研究所の専門分野は、電子科学技術、情報通信工学、専門分野は超小型衛星、無線センサーネットワーク、将来のモバイル通信、マイクロシステム技術、情報機能材料、デバイス。
2016年1月の同研究所の公式ウェブサイトによると、中国科学院上海マイクロシステム情報技術研究所には780人の従業員がおり、その内訳は最前線の技術および管理担当者が685人、研究者および上級エンジニアリングおよび技術担当者が89人、そして3人が含まれるという。 8 つの研究所と 6 つの支部があり、そのうち 2 つは州の重点研究所、2 つは中国科学院の重点研究所です。
中国科学院上海マイクロシステム情報技術研究所の開発プロセスは次のとおりです。
国立並列計算機工学技術研究センター
国家並列計算機工学技術研究センターは、中国のコンピューター科学技術の総合研究機関であり、1992 年 8 月に設立されました。中国のコンピューター業界で高い評価を得ているサイエンス。中国のコンピュータ発展の各時期において、当研究所は様々なタイプのコンピュータを開発し、常に中国をリードする立場にありました。並列コンピュータ技術の発展に重要な貢献をしてきました。同センターは、同研究所の強力な技術的支援を受けて、同研究所の多くの科学研究成果を製品化し、市場に投入し、中国をリードする国際的な先進技術レベルを維持している。
国立並列計算機工学技術研究センターの開発プロセスは次のとおりです。
5. 中国における量子コンピュータ技術の概要
量子コンピューターは超高速のコンピューティング能力を備えており、古典的なコンピューターと比較して、特定のアルゴリズムを通じていくつかの主要な問題において指数関数的な加速 (量子超越性) を実現します。このような状況において、量子コンピューティングは、世界各国が経済、軍事、安全保障の分野で優位性を獲得するための戦略的指揮の高さとなっています。以下の図は、世界各国の量子技術の特許数を示しています。
Pan Jianwei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・ボーズ・サンプリング量子コンピューティングのプロトタイプ「Nine Chapters」を独自に開発し、出力される量子状態空間スケールは10の30乗に達した。この成果は、国際的な量子コンピューティング研究における中国の地位を確固たるものとした。この技術は、実用上非常に価値のある問題を解決できる大規模な量子シミュレータを将来実現するための技術的基盤を築きます。
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