IBM の量子コンピュータは本当に数秒で中国のスーパーコンピュータに勝つことができるのか?

2017年を振り返ると、中国は再びスーパーコンピューターのトップ500を獲得しましたが、米国も追い上げており、今年は180Pの性能を持つスーパーコンピューターを2台発表する可能性があります。同時に、両国は量子コンピューターの開発で画期的な進歩を遂げており、競争は熾烈になっている。昨年の量子コンピューティング分野における最大のニュースは、IBMが11月12日に発表した大きな進歩でした。IBMは20量子ビットの量子コンピュータの開発に成功し、世界初の50量子ビットの量子コンピューティングプロトタイプの構築とテストに成功しました。

11月には、中国のスーパーコンピューター「Sunway TaihuLight」と「Tianhe-2」が再びTOP500で1位と2位にランクインした。一部のメディアはすぐにIBMの量子コンピュータをSunway TaihuLightスーパーコンピュータと比較し、IBMの量子コンピュータが数秒でSunway TaihuLightを破壊できると信じました。

では、現在の量子コンピュータは、このように本当にスーパーコンピュータと比較できるのでしょうか?中国、米国、その他の国々がこれら2つの分野への研究開発への投資を強化しているのはなぜでしょうか?

IBM 50Q システム

中国と米国は量子コンピュータ開発で追いついている

近年、中国と米国は量子コンピューティングで画期的な進歩を遂げており、技術革新は互いに追いつく傾向を見せている。

現在、量子コンピューティングには、低温超伝導システム、量子ドットシステム、イオントラップ、トポロジカル量子コンピューティングなど、多くの研究方向があり、中国の科学者は多くの分野で優れた成果を上げています。

中国科学日報は2015年に早くも、中国科学技術大学の杜江鋒氏の研究グループが固体スピンシステムでフォールトトレランス閾値に達した汎用量子論理ゲートを実現したと報じた。この結果は、固体スピンシステムにおける量子操作精度として世界最高レベルを表しています。研究結果は11月25日にネイチャー・コミュニケーションズ誌に掲載された。

中国の半導体量子チップ

2016年、中国科学技術大学は半導体量子チップの開発に成功しました。量子チップはガリウムヒ素材料で作られており、半導体技術を使用して原子エネルギーレベルをシミュレートする構造を作成し、量子ビットを実現します。論理ビット数は3です。これに対し、海外では依然として4つの量子ドットでエンコードされた2ビットのレベルですが、中国はこの分野で国際的にトップレベルに達しています。

低温超伝導システムは拡張性に優れ、工業生産に適しているため、低温超伝導システムに注目する研究者が増えています。研究する人が増えれば、当然、技術的な成果も増えるでしょう。

2012 年、RJ Schoelkopf は超伝導回路で 3 ビットの量子エラー訂正コーディングを実現しました。その後、NASA、カリフォルニア大学サンタバーバラ校、Googleは、9つの超伝導量子ビットで高精度演算を実現したと発表した。

2017年、中国科学技術大学と他の機関は共同で2台の量子コンピュータを開発した。そのうち1台は低温超伝導システムをベースにしたものだった。この量子コンピュータは10個の量子ビットを持ち、NASA、カリフォルニア大学サンタバーバラ校、Googleが達成した9個の超伝導量子ビットの記録を上回ります。もう 1 つは線形光学に基づいており、5 量子ビットを備えています。その後、中国科学院院長の白春麗院士は、中国科学院が中国初の量子コンピュータを開発しており、今後数年以内に開発に成功する見込みであると明らかにした。

IBM による 20 量子ビットの量子コンピュータと 50 量子ビットのプロトタイプの開発は、量子コンピューティング分野における IBM の技術的蓄積を実証しています。

IBM 20 および 50 量子ビットアレイ

IBMの量子コンピューティングの成果について、専門家は次のように述べている。「これは国際量子コンピューティング分野にとってエキサイティングなニュースと言えるでしょう。IBMが50量子ビットのプロトタイプを開発したことは、超伝導ソリューションが現時点で依然として最も有望であることを示している...実際、今年半ばにIBMとGoogleがともに今年末までに50量子ビットを発表することがわかりました...量子コンピューティングでは競争が非常に激しいです。激しい競争のおかげで、関連する国内計画も少なくとも2〜3年前倒しで急速に進んでいます...中国の潘建偉院士の超伝導ソリューションは最も速く、5月にGoogleが以前に保持していた記録を上回りました。現在IBMが先行しており、Googleは後に巻き返しの道を見つけると予想されています。中国での研究開発の進歩を加速させ続けます...現時点では、米国が段階的にリードしています。」

量子コンピュータは特定の分野の問題しか解決できない

現在の量子コンピュータには、まだ一定の限界があります。

量子ビットは物理ビットと論理ビットに分けられます。複数の物理ビットをエンコードした後にのみ、1 つの論理ビットを取得できます。世界中のいかなる組織も論理ビットのエンコードを実現できないため、エンコードなしでは汎用的な量子コンピューティングを実現することは不可能です。

したがって、現在の量子コンピュータは特定のタスクしか実行できず、その用途は非常に限られています。今回IBMが開発した20量子ビットの量子コンピュータを例に挙げてみましょう。特定の問題のみを解決できます。

実際、IBMの量子コンピュータだけでなく、中国の量子コンピュータも、いくつかの特定の問題しか解決できません。中国科学技術大学などが共同開発した光量子コンピュータを例に挙げてみましょう。このマシンは線形光学に基づいており、量子ドットを単一光子源として使用し、光子のエンタングルメント操作を実現できます。

使用方法の点では、この光量子コンピューティング プロトタイプはボーズ サンプリングにのみ使用できます。従来のコンピュータのように汎用コンピューティングを実行することはできません。

超伝導量子プロセッサに基づく線形方程式解法のデモンストレーション

低温超伝導システムをベースにした別のプロトタイプも、実際には線形方程式を解くためだけに使用できる特殊用途のマシンです。

したがって、現段階の量子コンピュータはまだ特殊用途のマシンであり、その汎用性はまだ非常に限られています。

神威太湖ライトを数秒で倒すにはまだ長い道のりがある

量子コンピューティングは、量子効果に基づいた新しいタイプのコンピューティングです。基本原理は、量子ビットを情報のエンコードと保存の基本単位として使用し、多数の量子ビットの制御された進化を通じてコン​​ピューティングタスクを完了することです。量子コンピューティングの 1 つの進化は、2 の N 乗のデータの並列処理を完了することに相当するため、これが従来のコンピューターに対する量子コンピューターの利点です。

中国科学院院長の白春麗院士はかつてこう語った。「エクサスケールの変数を含む一連の方程式をエクサスケールの天河2号スーパーコンピューターで解くには100年かかるだろう。」 1兆倍の量子コンピュータを使用して同じ方程式のセットを解くのにかかる時間はわずか0.01秒です。

そのため、量子コンピュータは、従来のコンピュータの超並列計算能力を大幅に上回り、核爆発シミュレーション、コード解読、材料、マイクロナノ製造などの分野で優れた利点を持っています。これらは、新しいコンセプトの高性能コンピューティングの分野で認められた開発トレンドです。

量子コンピュータには大きな可能性があるが、その大きな可能性だけをもって「IBM の量子コンピュータが Sunway TaihuLight を数秒で打ち負かす」と言うのは適切ではない。

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サンパワー太湖ライト

まず、IBMの量子コンピュータはまださらなる改良が必要ですが、Sunway TaihuLightは非常に成熟したスーパーコンピュータです。量子コンピュータが古典コンピュータを超えるには、50 論理ビットのレベルに到達する必要があります。 IBM は 50 物理ビットのプロトタイプを開発しただけであり、現在のところこの 50 物理ビットのサンプルのテスト結果はないため、IBM にはまだ長い道のりが残っています。

第二に、現在の量子コンピュータはいくつかの特定の問題しか解決できず、汎用性も非常に限られており、Sunway TaihuLightに比べて大幅に劣っています。

従来のコンピュータよりも優れた性能を持つ汎用量子コンピュータを構築するには、論理ビットを 50 ビットにする必要があります。皆さんの実験の進捗状況から判断すると、複数の物理ビットの任意のエンタングルメントを実現する技術的な難しさは、ビット数の増加とともに指数関数的に増大するでしょう。現時点では、論理ビットのエンコードを実現できる組織は世界中に存在しません。現在の技術レベルを考えると、汎用量子コンピュータの開発が成功するにはまだまだ遠い道のりです。このため、現在の量子コンピュータは、特定の問題を解決するためにのみ使用できる特殊な目的のマシンです。

対照的に、Sunway TaihuLight は汎用性が高く、多数のアプリケーションを実行できます。さらに、「非線形地震シミュレーション」と「1000万コアのスケーラブルな全球大気力学完全暗黙シミュレーション」がゴードン・ベル賞を受賞しており、これは中国がスーパーコンピューティング応用において世界トップレベルに達したことを示している。解決された問題の数と汎用性の点では、Sunway TaihuLight が明らかに有利です。

最後に、50 量子ビットの量子コンピュータが構築されたとしても、特定の計算問題に関してのみ通常のスーパーコンピュータと比較することができます。しかし、最高性能のスーパーコンピューターであるSunway TaihuLightと比較すると、まだ一定の差があります。結局のところ、世界の多くのスーパーコンピュータの性能は、Sunway TaihuLight の性能の 1% 未満です。

それでも、量子コンピューティングにおける中国と海外の科学者による技術的成果は、依然として賞賛に値する。新しく導入された列車が馬車ほど速くないのと同様に、列車には馬車にはない大きな発展の可能性があります。

量子コンピュータと古典コンピュータの関係は似ています。我々は、外国の科学研究チームの技術革新を称賛するとともに、国内の科学研究チームが画期的な進歩を遂げ、再び米国に対して段階的にリードすることを期待しています。