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量子計算産業の透視#

2021 年は量子計算界にとって注目すべき年でした。量子ビットの数が大規模に増加する一方で、各種量子計算ハードウェア技術も進展しました。ますます多くの機関が上層ソフトウェアやアルゴリズムの開発を始め、ますます多くのアルゴリズムが小規模な実際の問題に対して実験的に検証されています。
量子計算機が問題を解決できる規模は、量子ビットの数に大きく依存します。2021 年以降、主要な研究チームはすべて突破を達成し、中性原子会社 ColdQuanta と AtomComputing は 100 以上の量子ビットを持つ量子計算機を発表し、ハーバード - MIT は 256 量子ビットの中性原子に基づく量子シミュレーターを開発しました。
超伝導の分野では、中国科学技術大学の 66 量子ビット「祖冲之号」が量子計算の優越性を実現し、計算の複雑さは Google の「悬铃木」に比べて 6 桁向上しました。Rigetti はモジュール型の量子プロセッサアーキテクチャを提案し、数ヶ月以内に 80 量子ビットのプロセッサを発表する予定です。IBM は 127 量子ビットのプロセッサ Eagle を発表しました。
イオン捕獲の分野では、IonQ が再構成可能なマルチコア量子アーキテクチャを提案し、64 量子ビットに拡張されました。光量子の分野では、従来の光量子計算の欠点はプログラミングが難しいことですが、ますます多くの研究が光量子計算もプログラミング可能であることを示しています。例えば、Xanadu 社と国防科学技術大学はプログラマブルな光量子計算チップを展示しました。また、研究者は「九章」が将来的にプログラマブルになることを明らかにしました。

一、量子計算の発展概説
主流の量子計算会社の技術ロードマップから見ると、2021-2022 年頃に 100 量子ビットを突破し、3 年以内に 1000 量子ビットを突破し、この 10 年の終わり（2030 年）には 100 万量子ビットを実現する見込みです。
表 1 主流量子計算会社のロードマップ

量子計算機が有用かどうかの別の次元は量子ビットの質であり、主な指標にはコヒーレンス時間（量子状態が保持できる時間）、量子ビット間の接続の程度、ゲートの忠実度などが含まれます。
コヒーレンス時間の面では、2021 年に中国の清華大学の金奇奂研究グループがイオン捕獲システムで単一量子ビットのコヒーレンス時間の記録を更新しました（5500 秒）。
量子ビット間の接続の程度では、イオン捕獲システムは全接続を実現できますが、量子ビットの数が少ないです。超伝導量子計算機、例えば祖冲之号と悬铃木では、単一の量子ビットは周囲の 4 つの量子ビットとしか接続されていません。接続性を向上させることができれば、解決できる問題の規模は指数関数的に増加します。日本の RIKEN は初めて 3 つの半導体（シリコンスピン）量子ビットのエンタングルメントを実現しました。
ゲートの忠実度の面では、現在最も進んだ量子計算システムの 2 量子ビットゲート（エンタングルメントゲート）の忠実度は 99% 以上であり、現在の最高記録はオーストラリアのシリコン量子計算会社が半導体技術を通じて実現した 99.99% ですが、彼らはわずか 2 つの量子ビットを開発したに過ぎません。
現在、どの技術ルートもすべての指標で同時にリードすることはできず、異なる技術ルートにはそれぞれ利点と欠点があります。現在も新しい量子ビットを製造する研究チームが続々と登場しています。測定と制御の面でも、2021 年に突破がありました。2021 年には、チューリッヒの機器を代表とするいくつかのメーカーが 100 以上の量子ビットを測定制御できる測定制御システムを発表しました。最大の突破はオーストラリアのニューサウスウェールズ大学が数百万のシリコンスピン量子ビットを制御できる技術を提案し、将来の百万量子ビットプロセッサの登場に向けて堅実な基盤を築きました。量子計算が急速に発展する一方で、古典計算の進歩も無視できません。2019 年に Google がスーパーコンピュータが 1 万年かかると主張した計算について、最近の研究は古典的なシミュレーションが Google の量子計算機と同等の速度に達したことを示しています。
2021 年のこの分野のテーマは古典的なシミュレーションと量子計算の競争と定義でき、この競争は今後も続くでしょう。古典計算の大きな進歩は量子計算の発展を加速させています。

二、量子計算産業チェーン

量子計算業界は現在、初期探索段階にあり、コア参加者は少なく、産業チェーンの上下流は比較的明確です。現在、海外のテクノロジー大手である IBM、Google、Amazon、Microsoft、Intel、Honeywell などが業界のリーダーとして位置しています。IonQ、Rigetti、PsiQuantum などの量子計算の新興企業も数億ドルのベンチャーキャピタルを獲得し、実力を持っています。国内のテクノロジー大手である Alibaba、Baidu、Tencent、Huawei なども追随していますが、国内のリーディングな量子計算会社は主に本源量子、国盾量子などの大学に依存する企業です。全体として、国内外の量子計算産業チェーンはすでに初歩的な形を整えています。

産業チェーンを見ると、量子計算機器の供給業者は主に国際企業が中心であり、特に希釈冷却機と低温同軸ケーブルが重要です。しかし、他の分野では中国企業がすでに一席を占めており、特に測定制御システムでは、中微達信、国盾量子、本源量子は海外のメーカーと遜色なく、さらにはより高いレベルに達することも可能です。
また、減衰器、フィルターなどの低温コンポーネントにおいても、本源量子は一定の突破を達成しています。

チップ製造の面では、現在の量子チップの製造プロセスは主に実験室で行われていますが、いくつかの先進的な量子計算チームは工場で量子チップを製造しています。例えば、Google の「悬铃木」量子チップはカリフォルニア大学サンタバーバラ校（UCSB）の工場で製造されています。

2022 年 1 月、本源量子が自主的に建設した 2 つの実験室 —— 量子チップ製造封止実験室と量子計算組立テスト実験室が正式に稼働しました。これは 2021 年に本源 - 晶合量子チップ共同実験室に続く国内 2 つ目の工業化量子チップ実験室です。

産業チェーンの中で、量子計算会社は主にハードウェアとソフトウェアの研究開発に集中しています。現在のリーディングなハードウェアチームは主にテクノロジー大手と実力のある研究機関（例えば中国科学技術大学）ですが、中国のテクノロジー大手は量子計算のレイアウトが遅れています。スタートアップ企業である本源量子、国盾量子、启科量子、图灵量子は業界の中堅力です。ソフトウェアの面では、国際的にはすでに 100 以上の量子ソフトウェア会社がありますが、中国の量子ソフトウェア会社は少数です。

三、量子計算の応用シーン#

量子計算機の過大な体積、極めて厳しい運用環境、数千万ドルの価格により、現在の量子計算の応用は主にクラウドプラットフォームを通じた量子ハードウェアに限られています。量子計算と古典計算は置き換えの関係ではなく、計算能力の要求が極めて高い特定のシーンでその高速並列計算の独自の利点を発揮します。
量子計算機が解決できるすべての問題については、まだ合意が得られていませんが、研究は主に以下のタイプの計算問題に集中しています：

• シミュレーション：自然界で発生するプロセスをシミュレーションすることは、今日の古典計算機では記述や理解が難しいか不可能です。これは、薬物発見、バッテリー設計、流体力学、デリバティブやオプションの価格設定において巨大な潜在能力を持っています。

• 最適化：量子アルゴリズムを使用して、一連の実行可能な選択肢の中から最適解を決定します。幹線物流やポートフォリオリスク管理に適用可能です。

• 機械学習：データ内のパターンを認識して機械学習アルゴリズムを訓練します。これは、人工知能の発展（例えば自動運転車に使用）を加速し、詐欺やマネーロンダリングを防ぐのに役立ちます。

• 暗号：従来の暗号を破ることや、より強力な暗号基準をサポートします。

業界的には、量子計算の潜在的な応用は主にサプライチェーン、金融、交通、物流、製薬、化学、車両、航空、エネルギー、気象などの分野を含みます。
製薬、化学、新材料：量子計算は分子特性をシミュレーションでき、大規模な分子特性をコンピュータのデジタル形式で直接研究者に提供し、理論検証の時間を短縮し、製薬業界の薬品開発や新材料の開発を大いに推進することが期待されています。

金融：量子計算は複雑な金融モデリングに非常に適しており、ポートフォリオの価格設定、デリバティブの価格設定などに潜在的な利点があります。非公式な統計によると、世界中で 25 以上の国際的な大手銀行や金融機関が量子計算企業と共同研究を行っています。交通、物流、

サプライチェーン：これらの 3 つの分野はすべて量子計算の最適化に関与しており、量子計算を利用してサプライチェーン、交通（航空機、列車、自動車など）ルート、物流を最適化し、コストを削減します。

航空：量子計算は航空業界が直面するいくつかの最も厳しい課題を解決するのに役立ちます。基礎的な材料科学研究、機械学習の最適化から複雑なシステムの最適化まで、航空機の製造や飛行方法を変える可能性があります。
エネルギー：量子計算は、炭化水素井中のさまざまな種類の粘土の化学成分と蓄積をシミュレーションすることに応用される可能性があります。これは効率的な炭化水素生産の重要な要素です。風力発電所の流体力学を分析・管理し、自律ロボット施設の検査を最適化し、前例のない機会を創出し、世界が望むクリーンエネルギーを提供するのに役立ちます。

2021 年 2 月、英国 BP 社は IBM Quantum と協力し、エネルギー利用効率を向上させ、炭素排出を削減する方法を探求しました。

• 自動車：近年、各自動車メーカーは電動化戦略を加速しています。電動化戦略の推進過程で、量子計算は化学シミュレーションの利点を発揮し、多くの自動車メーカーが量子計算技術を利用してより良い性能のバッテリーを開発することに取り組んでいます。

• 気象：量子計算は、複数の変数を含む大量のデータを効果的かつ迅速に処理でき、並列計算と継続的に最適化されるアルゴリズムは、気象条件の追跡と予測を促進し、天気予報の精度を向上させるのに役立ちます。さらに、量子計算機は機械学習を通じて異なる気象パターンを識別し理解することもできます。

量子計算機 —— 同時に進行中の現量子計算の物理プラットフォームは、量子ビットをコーディングする物理キャリアを持ち、異なる量子ビット間で制御可能な結合を形成し、ノイズ環境の影響に対して一定の抵抗力を持つ必要があります。

2021 年、超伝導システムは急速に発展し、量子ビットの規模が次々と刷新されました。一方で、イオン捕獲、光量子、シリコンスピン、中性原子などの技術ルートも同様に強力に発展しています。他の技術ルート、例えばダイヤモンドの NV センターも一定の進展を遂げました。

• トポロジー方案は「マヨラナ粒子の発見」（トポロジー量子計算の実現の基礎）に関する論文が撤回されたため大きな打撃を受けましたが、研究者たちはこのエラー訂正を必要としない方案が実現可能であると信じ続けています。要するに、量子計算の物理実現方案の発展はまだ収束していません。ゲートベースの量子計算機に加えて、近年登場したコヒーレントイジングマシン（CIM）方案も好成績を収めています。2021 年、日本の NTT は CIM 方案を通じて 10 万量子ビットを実現しました。ゲートベースの量子計算機と直接比較することはできませんが、これは小さなマイルストーンでもあります。注目すべきは、2021 年に量子アニーリングの先駆者 D-Wave がゲートベースの量子計算機を開発すると発表したことです。これは、ある意味で量子アニーリング機の将来が限られていることを示しています。

注：評価は 5 点満点で、1 が最悪、5 が最良、○は 1 点、●は 5 点を表します。
緑の矢印は商業化の進展が他のルートよりも良好であることを示し、黄色と赤はそれぞれ次第に劣ることを示します。

一、超伝導 —— 最も注目されている#

• 超伝導量子計算は、現在国際的に比較的迅速に発展している固体量子計算の実現方法の一つです。

• 超伝導効果は、量子状態のコヒーレントな操作を提供する無損失環境を提供します。超伝導量子回路のエネルギーレベルは外部の電磁場によって干渉され、回路のカスタマイズ開発が容易になります。

• 集積回路技術が比較的成熟しているため、超伝導量子回路の拡張性の利点はさらに明らかになります。現在、

超伝導量子回路に基づく量子計算技術は、デコヒーレンス時間、量子状態の操作と読み出し、量子ビット間の制御可能な結合、中規模から大規模への拡張などの重要な技術において多くの突破を達成し、汎用量子コンピュータや量子シミュレーターを構築する最も有望な候補技術ルートの一つとなっています。

• 2021 年、中国は超伝導量子研究において重要な進展を遂げました。
• 2021 年 1 月、南方科技大学は超伝導量子回路システムに基づいて、調整可能な結合器を利用して高忠実度、高拡張性の 2 ビット量子ゲート方案を実現しました。実験では、迅速（30ns）で高忠実度（0.995）の 2 ビット量子ゲート操作を実現しました。以前の 2 ビット量子ゲートに比べて、この方案はロバスト性が高く、必要な制御線が少なく、干渉の影響が小さく、システムのキャリブレーションプロセスが簡素化されました。2 月、本源量子は国産の工業用超伝導量子計算機本源悟源 2 号をオンラインにしました。
• 5 月、中国科学技術大学の潘建偉、朱晓波、彭承志らからなる研究チームは、62 ビットのプログラム可能な超伝導量子計算プロトタイプ「祖冲之号」を成功裏に開発し、これを基にプログラム可能な 2 次元量子ウォークを実現しました；
• 6 月、潘建偉チームは再びプログラム可能な超伝導量子計算プロトタイプ「祖冲之号」をアップグレードし、66 ビットのプログラム可能な超伝導量子計算プロトタイプ「祖冲之二号」を構築し、56 量子ビットの 20 層循環「量子ランダム回路サンプリング」タスクの迅速な解決を実現しました。計算の複雑さは、Google の「悬铃木」量子計算機よりも 3 桁高いです。
• 9 月、中国科学技術大学の郭光灿院士チームの郭国平教授の研究グループは、本源量子と協力して、本源「夸父」6 ビット超伝導量子チップ上で干渉が量子ビットの状態読み出しに与える影響を研究し、浅層ニューラルネットワークを使用して量子ビットの状態情報を識別し読み取る新しい方法を提案し、干渉の影響を抑制し、多ビットの読み出し忠実度をさらに向上させました。
• 8 月、清華大学の交差情報研究院の段路明研究グループは、調整可能な結合の多量子ビットシステムを利用して、環境ビットが交差共鳴論理ゲート（Cross-resonance, CR）に与える影響を初めて実験的に研究し、大規模な超伝導量子システムにおいて、環境ビットの存在と不在の 2 つの状況で、2 量子ビットゲート操作の忠実度を効果的に向上させる解決策を提案しました。
• 10 月、潘建偉チームは 60 量子ビットの 24 層循環量子ランダム回路サンプリングを実現し、計算の複雑さは「悬铃木」よりも 6 桁高いです。
• 10 月、潘建偉チームは変分量子固有値ソルバー（VQE）を使用してジョセフソン接合アレイ量子回路をシミュレートし、新しい高性能量子ビット plasonium を発見しました。
• 10 月、テンセント量子ラボは、迅速、高忠実度、拡張性の高い超伝導量子ビット初期化方案を実現しました。業界の既存の作業と比較して、この初期化方法は速度が速く、忠実度が高く、周囲のビットへの影響が小さく、拡張性が高いという利点があります。
• 9 月 12 日、浙江大学は 2 つの超伝導量子チップを発表しました。「莫干 1 号」は特定の問題に対する量子シミュレーションと量子状態の精密制御を実現するための専用量子チップであり、全連結アーキテクチャを採用しています。もう一つのチップ「天目 1 号」は汎用量子計算を目指し、比較的拡張性の高い近接接続アーキテクチャを採用し、36 個のより長いビット寿命を持つ超伝導量子ビット（デコヒーレンス時間約 50 マイクロ秒）を集成し、高忠実度の汎用量子ゲート（制御位相ゲート、精度 98% 以上）を実現しました。
• 国際的には、2021 年 4 月、アメリカ国立標準技術研究所（NIST）の物理学者たちは、金属電線の代わりに光ファイバーを使用して超伝導量子ビットを測定・制御しました。これにより、量子計算機の拡張性が実現されました。2021 年 9 月、日本の情報通信研究機構（NICT）は、超伝導量子ビットの超伝導転移温度が 16K（-257℃）である全窒化物超伝導量子ビットを開発しました。これは、他の超伝導量子ビット構造が必要とする温度よりも 15 度高いです。
• 2021 年 11 月、コロンビア大学工学部の James Hone 教授の実験室は、2D 材料で作られた超伝導量子ビットコンデンサーを展示しました。そのサイズは従来の方法で製造されたチップよりも 1000 倍小さいです。
• 2021 年 12 月、IBM は現在の最高量子ビット数の超伝導量子計算チップ ——127 量子ビットプロセッサ Eagle を発表しました。
• 2021 年 12 月、Rigetti Computing は次世代 80 量子ビット Aspen-M 量子プロセッサを発表しました。これは、2 つの 40 量子ビットチップで構成されており、特許技術を利用しています。単一チップ 40 量子ビットプロセッサに基づく新しい Aspen システムも同時に発表されました。
• 2021 年 12 月、フィンランド国家技術研究センター（VTT）と IQM 社は、国内初の 5 ビット超伝導量子計算機 Micronova を発表しました。2021 年の進展と同時に、いくつかの研究が超伝導量子計算機に以前は発見されていなかった障害が存在することを示しました。
• 2021 年 6 月、ウィスコンシン大学マディソン校は、宇宙線が超伝導量子ビットのエラーの原因の一つである可能性があると提案しました。
• 2021 年 12 月、Google はその量子プロセッサ上で宇宙線が実際に超伝導量子ビットのエラーを引き起こすことを証明しました。2021 年 8 月、フェルミ国立加速器実験室はナノ水素化物が超伝導量子ビットのコヒーレンス時間を短縮することを発見しました。研究者たちはこれらの障害を克服するために努力していると述べています。