(3) 量子情報技術
データの出典：「World Frontier Technology Development Report 2023」およびインターネット
1。概要
量子情報技術は、物理学とコンピューター サイエンスの研究に基づいて開発された新興分野です。量子情報とその応用の研究が含まれます。コンピューティング、通信、暗号化、伝送など、科学技術の多くの分野に革命をもたらす可能性があります。量子情報とは、量子力学の原理に基づく情報の一種で、単一粒子の分極やスピン、複数の粒子のもつれなどの量子の状態を指します。中国科学院の学者、薛啓坤氏は、多くの科学技術分野の中で、量子コンピューティングを含む第二世代量子技術は破壊的技術であり、一度実装されれば新たな産業技術革命を引き起こす可能性があると指摘した。現在、世界は第二次量子技術革命の前夜にあり、量子コンピューティング、量子通信、量子センシングの3つの主要な技術方向は、国防、金融、ビッグデータ、バイオ医薬品、バイオ医薬品などの分野で大きな潜在的応用価値を持っています。他の分野も世界の主要な科学技術の注目を集めており、強国やハイテク企業もこの技術を重視しています。
2. 量子コンピューティング
量子コンピューターは超高速な計算速度を備えており、多体問題の解決、最適化問題の解決、古典的な暗号コードの解読など、従来のコンピューターでは短時間で完了できない計算タスクを解決できる可能性があります。これらの応用は、医療、金融、人工知能などの分野に大きな影響を与えるとともに、科学技術に新たなブレークスルーや発見をもたらす可能性があります。
2.1 アリババダモアカデミーは99.97%を超えるシングルビット制御精度を備えた2ビット量子チップの開発に成功
2022年3月、中国のアリババ社のDamo Academy量子研究所は2ビット量子チップの開発に成功した。DAMOアカデミー量子研究所のレポートによると、チームは新しいFluxonium超伝導量子ビットに基づく2ビット量子プロセッサの設計と製造に成功し、99.97%を超えるシングルビット制御精度と2ビットiSWAPゲート制御精度を達成したことが示されています。最大99.72%とこの種のビットとしては世界最高レベルを達成しており、業界主流のトランスモンビットに迫る性能を持っています。現在、2 つの Transmon ビット ゲートの制御精度は最大 99.85% ～ 99.87% に達することができ、これはマサチューセッツ工科大学 (MIT) と IBM によって樹立された記録です。チップ準備の別のトピックでは、DAMO アカデミーの量子研究室によって準備された窒化チタンをベースとした超伝導量子ビットは、コヒーレンス持続時間の最も重要な性能指標で再現性よく 300 マイクロ秒に達し、世界最速の速度に達します。
2.2 カナダの企業 Xanadu がプログラマブル光量子コンピューターを開発
2022年6月、カナダの新興企業ザナドゥは「ボレアリス」と呼ばれる光量子コンピューターを開発した。Borealis コンピューターは、最大 216 個のもつれ光子の挙動を測定することで計算を実行でき、ガウス ボーズ サンプリング タスクを 36 マイクロ秒で完了します。さらに、Borealis は、クラウドを通じて一般にサービスを提供できる量子超越性を備えた世界初のコンピューターでもあります。Xanadu 氏によると、Borealis はプログラム可能で拡張性があり、次世代電池開発、創薬、金融、物流などの分野における複雑な問題の解決に役立ちます。
2.3 米国企業 NVIDIA が古典量子ハイブリッド コンピューティングの開発アーキテクチャを開始
2022 年 7 月、アメリカの企業 NVIDIA は、古典量子ハイブリッド コンピューティングのための単一プログラミング環境の構築を目的として、量子最適化デバイス アーキテクチャ (QODA) と呼ばれるプログラミング開発アーキテクチャをリリースしました。この開発アーキテクチャは、NVIDIA が並列コンピューティング開発用に発表した Compute Unified Device Architecture (CUDA) プラットフォームに似ていますが、より多くの量子の専門知識を組み合わせ、より多くのソフトウェア開発者が使いやすくすることに尽力しています。NVIDIA のグラフィックス プロセッサ テクノロジは、量子回路シミュレーションを加速するために状態ベクトルおよびテンソル ネットワーク手法を実装できるため、量子回路シミュレーションにおいて重要な役割を果たします。QODA アーキテクチャには、C++ や Python などの汎用プログラミング言語へのインターフェイスと、量子コンピューティング命令と古典的コンピューティング命令の両方と互換性のあるコンパイラが備わります。古典量子ハイブリッド コンピューティング アーキテクチャは、創薬、化学、金融、工学の最適化において重要な役割を果たすことが期待されています。
2.4 日本の自然科学研究機構が最速の2量子ビットゲートを開発
2022 年 8 月、日本の自然科学研究機構 (NINS) の研究者は、2 つの単一原子を使用した最速の 2 量子ビット ゲートの開発に成功しました。研究者らは光ピンセットを使って2つの超低温ルビジウム原子をミクロンスケールの間隔で配置し、特殊なレーザーを使って原子を10ピコ秒操作してその変化を観察した。隣接する 2 つの原子の最小軌道に捕獲された 2 つの電子は、リュードベリ軌道に衝突します。これらのルビジウム原子間の相互作用により、6.5 ナノ秒の周期で軌道形状と電子エネルギーの周期的な往復交換が引き起こされます。発振後、量子物理学の法則により、波動関数の符号が反転し、デュアル量子ビット ゲート関数が実現されます。この研究により、冷原子量子ハードウェアの開発が促進されることが期待されています。
2.5 世界の量子コンピューティング特許トップ100が発表、米国企業がリストの40％を占める
2022 年 10 月、中国の知的財産サービスプロバイダー IPRdaily は、世界の量子コンピューティング特許トップ 100 のリストを発表しました。このリストは、2022 年 10 月 18 日の時点で世界中で公開された量子コンピューティング分野の発明特許出願の数を統計的にランク付けしています。このランキングにおける量子コンピューティング技術の分野は、量子コンピューティング処理システムおよび方法、量子回路動作方法および装置、量子状態トモグラフィー方法および装置、量子プログラム変換方法および装置、量子論理ゲート演算最適化方法および超音波技術分野に限定されている。伝導サブプロセッサや量子計測・制御などには、量子鍵暗号や反量子暗号などの技術分野は含まれません。リストの上位100社は主に18の国と地域から選ばれており、米国が40％、中国が15％、日本が11％を占めている。その中で、米国のIBMが1,323件の特許で1位、GoogleとカナダのD-Waveがそれぞれ762件と501件の特許で2位と3位となった。Origin Quantum、Baidu Netcom、Inspur、Tencent Technology、Huawei、Alibaba を含む 15 社の中国企業が最終候補に残りました。
2.6 米国IBMが433量子ビットの量子コンピュータを発売
米IBMは2022年11月、2021年に発売した127量子ビットの量子コンピュータ「イーグル」の3倍以上となる433量子ビットの量子コンピュータ「オスプレイ」を発売した。同時に、IBM上級副社長のダリオ・ギル氏は、IBMはこれに基づいて拡張を続け、最終的には数百万量子ビットを備えた量子システムを立ち上げるだろうと述べた。
3. 量子通信
2022 年も、量子通信研究は長距離、高効率、大容量の方向に発展し続け、伝送速度、遅延、伝送距離、忠実度などの指標が新たな最高値に達し続けるでしょう。現在、量子通信技術は次々と新たな進歩と画期的な進歩を遂げ、その応用可能性はさらに拡大しており、世界の通信方式を大きく変えることが期待されています。
3.1 中国の大学研究者が量子もつれの高効率精製を達成、量子通信に利用可能
2022年1月、中国科学技術大学と南京郵電大学の共同研究チームは、実験室で初めてエンタングルメントの明確な浄化に成功した。研究者らはまず実験室で空間偏光もつれを作成し、次に偏光もつれにノイズを加え、精製操作を行った後、偏光もつれの忠実度が0.268から0.989に増加した。今回採用された新しい方法では、一対のスーパーエンタングルメントのみで精製が可能です。理論的には、この新しい方法の精製効率は10億倍に向上すると推定されており、これは量子中継の速度向上に非常に有益であり、世界における高効率量子中継による長距離量子通信の技術的サポートを提供することができます。未来。
3.2 中国の清華大学が量子セキュリティ直接通信距離記録を破る
2022年4月、清華大学物理学科のLong Guilu教授のチームと電子学科のLu Jianhua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の混合符号化を備えた量子直接通信システムを初めて実現した。通信距離は100キロメートルです。この新方式により、レーザーパルス周波数50MHzにおける最大許容損失を5.1デシベルから18.4デシベルに向上させることができ、市販の低損失シングルモード光ファイバの中で最長通信距離が102.2kmに達し、これまでの最長通信距離を直接突破しました。距離は18キロです。システムの伝送速度は 1 秒あたりわずか 0.54 ビットですが、メッセージや音声データを送信するには十分です。研究者らはまた、このシステムは既存のインターネットインフラストラクチャと部分的に互換性があるとも述べている。
3.3 オランダのデルフト工科大学が非隣接ノード間の量子ビットテレポーテーションを実現
2022 年 5 月、オランダのデルフト工科大学 (TUD) の研究者は、隣接しないノード間の量子テレポーテーションを実現しました。研究者らは、窒素空孔システムを使用して合成ダイヤモンドの非常に小さな空間を通して電子を捕捉し、3つのノード間でデータを送信することに成功し、複数のサイト間の通信のための量子ビットテレポーテーションを実現しました。以前は、研究者は 2 つのノード間で同様の通信しか実行できませんでした。この研究のブレークスルーにより、大規模な量子インターネットの開発が進むことが期待されています。
3.4. オーストリアの研究者が248キロメートルの国境を越えた光ファイバーリンク上で連続エンタングルメント分布を達成
2022 年 10 月、オーストリアのウィーンにあるウィーン量子光学・量子情報研究所 (IQOQI-ウィーン) の研究者らは、オーストリアからスロバキアまでの 248 キロメートルの国境を越えた通信ファイバーに偏波もつれ信号を直接分散させることに成功しました。実用光ファイバーに基づく絡み合い分布の最長距離を記録。研究チームは、効率的かつ非ローカルな方法で積極的に偏波を安定化させ、通信リンクが 110 時間連続動作できるようにし、75% のデューティ サイクルを達成しました。また、限られたキー効果を考慮すると、キーの合計長は 258 キロビットになりました。
3.5 米国のペンシルバニア大学が量子情報空間を倍増する新しい量子通信チップを開発
2022年11月、ペンシルベニア大学の研究チームは、既存の量子通信ハードウェアよりも安全で堅牢な新型のマイクロレーザーチップを開発した。研究チームは、超次元スピン軌道マイクロレーザーを使用して高次元量子ビットを生成し、軌道角運動量とスピンを操作して結合して 4 準位系を生成できるレーザーの機能をアップグレードします。この技術は、複数のエネルギーレベルで「量子電気コード」を介して通信することができ、レーザーの量子情報空間を2倍にします。関連する研究結果は Nature 誌に掲載されました。
4. 量子センシング
量子センサーは、重ね合わせやもつれなどの量子システムの固有の特性を利用して、より高い精度と感度を実現し、物理量の測定において前例のない精度と感度を実現し、原子および分子スケールでの正確な測定を可能にします。量子センシングの特性は、精密測定、ナビゲーション、材料科学、環境モニタリングなどの分野で幅広い応用の可能性を秘めています。
4.1 米陸軍、クロスバンド電磁放射を検出できる新しい量子センサーを開発
2022 年 6 月、米陸軍司令部、管制、通信、コンピューター、サイバー、情報、監視、偵察センター (C5ISR センター) は、別のリュードベリ量子センサーを開発中であると発表しました。量子センサーは、長波長帯域、短波長帯域、および従来の波長帯域の間の信号を検出でき、兵士の戦場通信、スペクトルセンシング、および電子戦能力をさらに強化できます。研究者らはまず、レーザービームを使用してマイクロ波回路の真上にリュードベリ原子を生成し、異なる電磁場にさらされたときのリュードベリ原子のさまざまな反応を利用して原子の周囲の電場を測定し、次にゼロからの高周波スペクトルを高感度に検出した周波数は 20 ギガヘルツまで、幅広い信号を受信します。このタイプのセンサーは、広い周波数範囲で継続的に動作できることが実験で証明されており、感度、帯域幅、周波数範囲の点で従来の電子機器の限界を打ち破り、米国に画期的なイノベーションをもたらすことが期待されています。スペクトルセンシング、電子戦、その他の側面における陸軍。
4.2. 米国のマサチューセッツ工科大学は、あらゆる周波数の電磁信号を検出できる量子センサーを開発しました。
2022年6月、米国のマサチューセッツ工科大学の研究者らは、量子センサーがナノスケールの特徴を測定する能力を失うことなく、あらゆる周波数の電磁信号を検出できるようにする新しいシステムを開発した。研究チームは、この新しいシステムを「量子ミキサー」と呼んでいます。これは、マイクロ波のビームを使用して検出器に第2の周波数を注入し、検出対象の周波数を「元の周波数と新しい信号の周波数の差」に変換します。 」この単純なプロセスにより、センサーのナノスケール空間分解能を失うことなく、検出器を任意の周波数に調整することができます。
4.3 日本の東京工業大学は、バッテリー電力を正確に検出できるダイヤモンド量子センサーを開発しました。
2022年9月、日本の東京工業大学は、高電流条件下でのバッテリー電力推定の曖昧さを1%に低減できるダイヤモンドベースの量子センサーを開発した。通常、電気自動車のバッテリーは数百アンペアの電流を消費する可能性があり、この電流を検出できる市販のセンサーはミリアンペアレベルの電流の小さな変化を測定できないため、EV のバッテリー充電量の推定値には推定 10% のあいまいさが生じます。東京工業大学の研究者は、2 つのダイヤモンド量子センサーを使用して、差動検出技術を使用して 2 つのセンサーによって検出される共通のノイズを除去し、実際の信号のみを保持するプロトタイプのセンサーを作成しました。これにより、-50 A ～ 130 A の範囲で動作することができます。 A 10mA程度の微少電流を検出しました。この研究は、バッテリー効率の向上、エネルギー消費の削減、電気自動車の航続距離の延長に貢献することが期待されています。
4.4 シカゴ大学が量子センサーの性能を 100 倍向上
2022年9月、シカゴ大学の研究者らは、固体量子センサーの感度を100倍に高めることができる新しい方法を開発した。一般に、固体量子センサーは量子効果に依存して検出を実行するため、外部干渉の影響を受けやすく、特に光子バースト内の量子ビットによって放出されるエネルギーによりノイズが発生し、センサーの感度に影響を与える可能性があります。シカゴ大学の研究者らは、光子のバーストとして知られる現象である超放射減衰を限られた時間だけ発生させると、量子ビット内の信号を大幅に増幅しながら、半分の量子ビットをそのまま維持できることを発見した。研究者らは、マイクロ波または機械共振器を窒素空孔中心量子センサーの量子ビットに結合すると、読み出し操作を実行する前に超放射増幅を達成でき、これによりデバイスの感度が大幅に向上すると指摘しています。研究者らは現在、この方法の拡張性を向上させるために取り組んでいます。
4.5 フランスの科学者が三次元測定が可能な量子加速度計を開発
2022年10月、フランス国立科学研究センター（CNRS）は3次元測定が可能な量子加速度計を開発した。三次元加速度計の筐体は、3 つのレーザーとルビジウム原子で満たされた小さなガラス箱を含む長さ 40 センチメートルの金属箱です。動きの変化を測定するために、研究者らは3つのレーザービームを制御して箱の長さ、幅、高さに沿って原子を照射し、原子を強制的に衝突させて波紋を生成させ、その特性は加速度計の動きに依存した。リップルパターンを分析することで、量子加速度計はレーザーの加速度を計算できます。将来的には、この結果は全地球測位システム (GPS) 信号なしで船舶が航行できるようになると期待されており、地球内部のより正確な地図作成にも使用できると考えられます。
4.6 コロラド大学ボルダー校の研究チームが量子センシングの分野で新たな進歩を遂げた
2022 年 11 月、コロラド大学ボルダー校の研究チームは、新しいモデルを使用して量子センシングの分野で大きな進歩を遂げました。研究チームは、実用的な光ファイバー光源を使用して、マッハツェンダー干渉計の内部損失、外部位相ノイズ、低効率をシミュレートし、デュアルモード圧縮真空からホランド・バーネットもつれ状態を生成しました。この研究手法は、内部損失と位相ノイズを大幅に削減し、量子ベースの感度手法の潜在的な利益を実証します。この研究は、光ファイバーベースの量子強化リモートセンシングや感光性物質の検出にとって非常に重要です。関連する研究は、Optics Express 誌に掲載されました。
