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Googleのシカモア量子チップ。出典：インターネット
プロデュース のMoサロン黄河、亮の
：2019年8月23日、Googleはフィールド内の重要なマイルストーンの量子コンピューティング除去に成功、量子コンピューティングの13年間に多額の投資を続け、実験は「量子優位性」を証明した特定のタスクに、量子コンピュータができはるかに古典コンピュータを越えて演算能力。ファインマンは、38年前の量子並列コンピューティングの概念を提案したが、しかし、確実に最初の本当の残りは、このスーパーコンピューティングパワーを発揮、世界中の科学者たちは努力の数十年を費やしました。国際的な専門家は、ライト兄弟のこの初飛行の結果と比較している、それは非常にシンプルな機体だったが、飛行はわずか12秒続いた、そこには実用的な価値はありませんが、それは夜明けの来技術の新時代を予示。
ことに留意すべきであるGoogleは実験段階の終わりはなく、出発点ではありません。9月には今年、合肥で開催された新興の量子技術の白書国際会議は、量子コンピューティングの研究が可能であることを指摘し、次のラインに沿って行われ、「最初のステージはの実現である量子優位性、特定の問題のための古典的なスーパーコンピュータの計算能力を超えて、つまり、マイルストーンがします近い将来に実現する ;第二段階は、の実現であるアプリケーション値を持つ量子系の専用シミュレーション ;第三段階での実現であるプログラマブルな汎用量子コンピュータ、だけでなく、学界、長いとハードワークの世界」。
-中国科学技術大学、パン偉10月23日、権威ある雑誌ネイチャーは、「プログラム可能な超伝導プロセッサを用いた量子至上AI量子Googleの最新の科学的な研究チームを発表しました 」。これまでのところ、Googleはその「量子優位性は、」最終的には「公衆に公然と利用できる。」と宣言しました 実際には、NASAのGoogleの論文は直後に静かに削除ものの、9月に開示されたが、紙が開くため、業界内で循環されており、騒動を引き起こしました。
Googleチームで紙のレポートは、量子ランダムサンプリングラインを実行している53のプログラマブル可能な量子ビット超伝導量子プロセッサを含む、約200秒かかる百万サンプルであってもよい、と推定その場合の使用最強のスーパーコンピュータサミットは、同じ結果を得るために計算され、費やす必要が約百万年。したがって、Googleは達成したと主張する「量子優位性を。」
まず、「量子優位性」とは何ですか？
近年では、量子コンピューティング技術を超伝導の急速な発展は、量子コンピューティングは、約50量子ビットの規模に発展しました。それにもかかわらず、量子補正与えられた少なくとも量子物理学100,000〜1,000,000ビット程度の実用的な真のユニバーサル量子コンピュータ、リソースを取ります。したがって、量子コンピュータの開発であるやりがいや仕事の長い期間がかかる場合があります。
量子コンピュータの開発を促進するために、我々は、ガイドラインに従って、小さな目標の一つに突破口を小さな目標を、それを配置する必要があります。最初の小さな目標は、「量子優位性」（量子プレマシー）に、量子コンピュータの優位性を証明するために、これまでスーパーコンピュータの最高のパフォーマンスを超えた特定の問題に、量子コンピューティングパワーを指しています。そのため、「量子優位性は、」量子コンピューティングの発展の道上の重要なマイルストーンと考えられています。
ただ、「言及した特定の問題に慎重にそのコンピューティングの可能性を再生するために、量子コンピューティング・デバイスの問題に適して設計されています」。このような問題は、量子ランダムサンプリングライン（ランダム・サーキット・サンプリング）、IQPライン（瞬時量子多項式）、ボーズのサンプリング（ボソンサンプリング）、および量子ランダムサンプリングラインのための量子GoogleのAIチームの問題を含んでいます。
いわゆるランダム量子線、単にランダムに単一量子キュービットゲートドアのセットから選択され、キュービットに作用し、シングルビット量子ゲートのそれぞれの層の役割、それらは2ビットの量子ゲートを、複数回のいずれかを行いますこの操作を繰り返した後、最終的には、サンプルを完了するために、すなわち、量子状態を測定しました。なぜGoogleはこの問題を選んだのですか？2つの理由があります：まず、ランダムサンプリングラインの問題は、2次元構造を計算する量子超伝導実験チップ上に実装されるように構成され、第二には、多くの理論的研究は、ランダムサンプリングラインの問題の難しさが証明されています。
量子ランダムサンプリング回路の概略図
ランダムな量子コンピュータシミュレーションのクラシックなラインが困難なものをここでは詳細に説明されていない、（計算の複雑さの問題を研究アダムBoulandなどと同様に、MITと清華サイエンスPaのCHEN李杰量子コンピューティングの専門家スコット・アーロンソンを参照することができます興味を持って） 。しかし、我々は簡単に説明するために例を与えることができるような高次元の量子状態を記憶するために、すべての最初の、そのようなランダム量子50ビットをサンプリング線、寸法、量子状態250、状態空間の最終出力古典的なコンピュータシミュレーションかのように、あります極めて困難で、第二に、このような高次元空間が計算される時、それぞれの層のシミュレートされた量子計算の操作は、最終的な演算結果を出力するまで、さらに困難です！
実験デザインGoogleがライン構造の彼らの第三世代です：シカモア（プラタナス）は、第一世代、第二世代（bristlecone松）の前に、USTCチームは、量子テレポーテーションのアイデアを使用していた、超古典コンピュータ-腕前タイ光を効果的に1000年量子ビット深度鎖線42、32および72の量子ビット深度アワ松二次元配線構造までシミュレート[6]。このシミュレーション機能に挑戦し、Googleが新しいライン「プラタナス」構造を設計することを余儀なくされました。自然公式論文ではGoogleがUSTCチームの結果を引用し、公表しました。
余談ここで言う、実験的な光子ボーズサンプル上の指導的地位- USTCチームが「量子優位性」を証明するために別の方法で関係しています。偶然にも、昨日（10月23日）はarXivの[arXivの：1910.09930]にチームの新たな段階の結果を発表しました[7 ]：20 フォトン入力モードボーズ60 * 60のサンプルを。紙は、光子数、モデル番号、3つの国際レコードの量子状態空間破った初めての主張は、作業の前に国際的対応よりも改善された光学百億倍、出力量子状態空間の100000000000000に達しました。中国チームは、光の量子ボーズサンプリングの問題で優位性を達成することが期待されます。また、査読論文で。
20フォトニックサンプリングボーズの模式図
第二に、GoogleのAIチーム量子突破
これは、Googleの量子AIチームが用意し、超伝導量子コンピューティングチップ54は、量子ビットを含み、そしてシカモアという名前を付けます。残念ながら、ここで量子ビットが壊れているので、それだけで53量子ビットすることができます。しかし、キュビット内のチップの破断縁ので、実質的に最終結果に影響を与えません。
基本的にまとめ、この超伝導量子チップ近年のチームによって開発されたすべての最先端の実験的な量子技術グーグルAIの中で、二つの技術の最も顕著なのは、フリップチップ実装技術と調整可能な量子カプラです。フリップチップ実装技術は、二次元的に配列された量子チップを実現することができる調製フリップチップにより、チップ相互接続技術です。調節可能なカプラの役割は、量子ビット間の結合の強さを調節することである私たちがドアの間にマルチビットの結合ビットを実現したい場合、結合強度が主要なことができ発生したが、我々はカップリングがビット間で発生させたくない時にオフにすることができますカプラ。
プラタナス図のチップの物理的構造。
ビットエラーとの間の調整可能カプラような画期的なクロストークを効果的に抑制されます。ビューの場合、Googleの基準点、平行量子ゲート制御を行うシカモアチップだけでなく、99.84パーセント単一ビット精度ドア、2ビットゲートの99.38パーセントの精度及び読み出し96.2％の精度を維持するために、全体的な性能は、現在のスーパーを表します水平ガイド最高の量子コンピューティング。
「量子優位性」を説明するために、現在の世界ナンバーワンのスーパーコンピュータのサミットとGoogleが性能比較しました。シカモア量子ランダムサンプリング回路20の深さ53ビット、約200秒1,000,000をサンプリングすることができ、最終結果の忠実度は0.2％と予想、コントラストは、グーグルは、スーパーサミット忠実度を得られることが期待されていますその結果、0.1％は、それが万年かかります。これに基づき、Googleは達成したと主張し、「量子優位性を。」
第三に、「量子優位」の作業紛争
実際には、「量子優位性は、」競争の二つの側面を表し、一方では、量子チップの性能が拡大し続けているビットの数とは、いくつかの問題に強いコンピューティングパワーを示し、一方で、古典アルゴリズムとシミュレーションをエンジニアリングは、古典的なアルゴリズムの効率性とコンピューティングパワーを向上させ、継続的な最適化を達成することができます。だから、我々は古典的なアナログの能力を高めることができれば、Googleは、量子デバイスが失敗に「支配」の順番で最も強力なスーパーコンピュータを倒すことができない場合があります。ので、実際には、これが最も可能性があり、Googleは、彼らは古典的なシミュレーション時間が最適に達しているやっていることを保証することはできませんファインマンアルゴリズムだけでなく、スーパーコンピュータエンジニアリングの実装の最適化を-彼らが使用するシュレディンガーを含め、。
興味深いことに、IBMはに「不満」を意味するように飛び出すことが最初です。「シミュレーションディープ54量子ビットのIBMセカンダリストレージを活用シカモア回路は」 10月arXivの紙21、と指摘したGoogleの古典的な擬似ランダム量子ラインの最適化は良くなかったメモリやハードディスクドライブのハイブリッドストレージソリューション場合は53をシミュレートし、ビット、量子ランダムサンプリングライン20の深さ、わずか2.5日。IBMはまた、ちょうど彼らの保守的な見積もりだったことを発表しました「日つかむ、上ロール。」
実際には、IBMはすぐに、古典的なコンピュータ上で驚くべきことではありませんをシミュレートすることができますと言います。結局のところ、古典アルゴリズムの開発だけでなく、設計の超カウントが、まだ改善の余地があります。プロセス自体の「量子優位性は、」コンピューティングと量子コンピューティングの古典的な戦いです。たぶん、別の時間には、古典シミュレーション速度は、Googleのシカモア、量子コンピューティング・システム上で直接かもしれません。
しかし、それは、ことは確かであるGoogleの仕事は、量子コンピューティングを超伝導の急速な発展を反映しない、少なくとも達している現在で最も強力なスーパーコンピュータでレースをすることができ、特定の問題についての容量。技術のこの実験的な進歩は、それはより以上であってもよい「量子優位性。」この意味で、Googleはこの問題は非常に重要な、おそらくすべてのことは重要ではありません「量子優位性」を達成していません。量子状態の空間次元が指数関数的にビット数を増加しているので、Googleでさえ失敗したが、「量子優位性」主張量子ビットの数の継続的な拡大と、「量子優位性は」遅かれ早かれ来ます。
第四に、量子コンピューティングの道の次のステップ？
量子コンピューティングの発展を通じて、量子コンピューティングは、我々は明らかに技術の進歩が重要である感じることができます。特にで、近年、この方向は、技術的抜け出すエリアに入りました。約50ビット、イオンの大きさを超えた量子コンピューティングシステム超電導によって表されるように、量子物理学の各システムは、かなりの開発をされている、原子スケールシステムは、壊れた20ビット[8]、フォトニックシステム2018年18ビットで絡み合いが達成されている[9]。
Googleは、唯一の目的は、実験中の量子コンピュータは最強のスーパーコンピュータを超越する能力を持っていることを実証することである「量子優位性」と主張し、ことに注意してください、我々は実用的な量子を達成したことを意味しませんコンピュータ。量子コンピューティングの発展のための「量子優位性」、まだ始まったばかりです。
それらはコントロールであり、ビットを読み出すがまず、Googleの仕事は、非常に高精度に達しているが、わずか0.2％に達し、量子線20忠実度の動作層を形成した後、この精度は完全に大規模な量子をサポートすることができません達成するための実験的アルゴリズム;加えて、Googleは量子質問の優位性を実証するために使用されるが無い実用的価値であり、その唯一の目的は、量子コンピューティングのコンピューティング・パワーことを証明することです。そのため、非常に長い時間がかかりますユニバーサル量子コンピューティングを実現するために、我々は、量子ビットの数を拡大するために、そして効果的に本当に役に立つの問題を解決するために、量子コンピュータを利用する方法を模索するために、高品質のサポートを維持するために、量子誤り訂正で突破口を取得する必要があります。
そして、次のステップ、量子コンピューティング・ウェイ？成功し合肥、2019年9月15日に開催された新興の国際会議で量子技術を形成する「量子情報と量子技術白書（合肥宣言）」、に」、コンセンサスを計算する量子の開発の3段階の宣言で国際的な専門家に達しましたそれでも、我々は長期的な努力を必要とし、量子コンピュータ真に汎用コンピューティング機能を構築します。」
保健セクターの長期的発展のために、基礎研究で操作精度を行うことに加えて、フォールトトレラント加え、大規模な、実用的な量子コンピューティングの研究は、以下のルートに沿って行うことができます。最初のステージは「量子優位性」や「量子支配」を達成することである、それが特定の問題のための古典的な量子シミュレータスーパーコンピュータの計算能力を超えて、マイルストーンは、近い将来に実現することが可能です。第二段階は、実装固有の量子シミュレーションシステムでアプリケーションの価値を持って、組み合わせの最適化、量子化学、機械学習に有効であることができます。第三段階は、ユニバーサルプログラマブル量子コンピュータを実現することである重要な役割を果たしているビッグデータの検索や人工知能の古典的な側面でのパスワードをクラックすることができます。また、世界的な学術コミュニティーの長いとハードワークを必要とするユニバーサルプログラマブル量子コンピュータを実現します。"
第五に、関連分野やレイアウトの国内進展
超伝導量子コンピューティングにおける当社の後半開始、グーグルに比べて国内関連の科学研究チームのリーダーは、まだキャッチアップ位置を再生しています。幸いなことに、近年では、USTC、浙江大学、物理学研究所の研究チームが複数に代表される、などがいる20超伝導量子量子ビットコンピューティング技術を突破します。現在、彼らは、50ビットの量子コンピューティング技術の研究され、そして来年末における「量子優位性」を達成することが期待されます。そのため、米国と超伝導ギャップの分野における当社のプレゼンスが、ない世代のギャップが存在しない、我々は継続的な投資とサポートを得ることができれば、将来は可能。
著者について
梁黄河、中国科学技術大学、主に理論的および実験的な量子コンピューティングの研究に従事朱暁波ポスドク超伝導量子コンピューティング研究グループ、。実験的な量子コンピューティングの研究に専念教授バオワン-SUの指導の下で、呂朝陽期間は、量子コンピューティングの国際実験的な実現で初めてのクラウドセキュリティの指示に基づいた古典的、量子トポロジ・データ分析、および量子もつれ光子10の実現に参加し、18絡み合いビット、量子コンピューティング、光は二回絡み合いレコードをリフレッシュします。