Jiuzhang 4.0：中国の3,050光子フォトニック量子コンピュータが打ち立てた新記録

量子コンピュータ研究では、**量子優位（Quantum Advantage）**と呼ばれる節目が重要視されます。これは、古典的なスーパーコンピュータでは現実的な時間で再現できない計算を、量子デバイスが実行できることを示すものです。

中国の研究チームが開発した**「Jiuzhang 4.0」は、その実験的証拠をさらに押し広げたフォトニック量子コンピュータのプロトタイプです。研究では3,050光子のガウス・ボソン・サンプリング（GBS）**を実現し、光量子情報実験の新たな規模を達成したと報告されています。

Jiuzhang 4.0とは何か

Jiuzhang 4.0は、中国科学技術大学（USTC）の研究チームが開発したプログラム可能なフォトニック量子プロセッサです。

多くの量子コンピュータが超伝導量子ビットなどを使うのに対し、このシステムは**光子（フォトン）**を計算の担い手にします。光子は光学回路の中を通過しながら干渉し、その結果として量子計算が実行されます。

この装置は特定の問題である**ガウス・ボソン・サンプリング（Gaussian Boson Sampling）**を実行するために設計されています。これは多数の光子が複雑な干渉計を通過した際の出力分布をサンプリングする問題で、光子数が増えるほど古典コンピュータでのシミュレーションが急激に難しくなります。

今回の実験では、研究チームは次のような構成を採用しました。

• 1,024個の高効率スクイーズド光源を入力
• 8,176モードのプログラム可能光学回路を使用
• 最大3,050光子の検出イベントを達成

このような構成によって、非常に複雑な量子干渉パターンを生成できるようになりました。

光量子計算の新記録

Jiuzhang 4.0は、ガウス・ボソン・サンプリング実験における光子数の規模を大幅に拡張し、光量子情報技術の世界記録を更新したと報告されています。

研究によると、このプロトタイプは特定の条件下で、同種のサンプリング問題を現在の最強クラスのスーパーコンピュータより10^54倍以上速く解ける可能性があるとされています。

もちろん、こうした比較は使用するアルゴリズムやシミュレーション手法に依存します。しかし今回の結果は、古典アルゴリズムの改良が続く中でも、量子デバイスが依然として優位な領域を示せることを示唆するものとされています。

Jiuzhang 3.0からの主な進化

Jiuzhang 4.0は、同じ研究チームが開発してきた「Jiuzhang」シリーズの最新モデルです。

前世代のJiuzhang 3.0では、ボソン・サンプリング実験で255光子の検出が報告されていました。

新モデルではいくつかの点で大幅な拡張が行われています。

光子数のスケール

• Jiuzhang 3.0：255光子
• Jiuzhang 4.0：最大3,050光子（10倍以上）

システム構成

• 1,024のスクイーズド光源
• 8,176モードの大規模フォトニック回路

プログラム可能な設計

• 光学変換を変更できるプログラマブル光量子プラットフォームへ進化

これにより、以前よりはるかに大きな量子状態とサンプリング分布を生成できるようになりました。

ガウス・ボソン・サンプリングが重要な理由

GBSは汎用計算ではありません。むしろ、量子優位を検証するためのベンチマーク問題として使われています。

この問題の難しさは、光子検出パターンの確率を計算する際に必要となる数学的処理にあります。特に**ループ・ハフニアン（loop hafnian）**と呼ばれる関数の計算は、光子数が増えると指数関数的に難しくなります。

そのため、光子数や光学モード数が増えるほど古典計算での再現が困難になります。Jiuzhang 4.0のような大規模実験は、量子装置が古典計算の限界に迫る領域へ到達していることを示す実験的証拠とされています。

今回の成果が意味するもの

Jiuzhang 4.0は、フォトニック量子ハードウェアが数千光子規模まで拡張できる可能性を示しました。

この成果が注目される理由は主に次の通りです。

• 大規模化によって量子優位の証拠がより強固になる
• 光子は室温動作や長距離通信との相性が良く、将来の量子ネットワークと統合しやすい
• 光源・検出器・光学回路のスケーリング技術が、将来の量子マシンの基盤になる

ただし、重要な点としてJiuzhang 4.0は汎用量子コンピュータではありません。実行できるのは主にボソン・サンプリングのような特定の計算問題です。

量子コンピューティング競争の中で

量子コンピュータの研究は現在、複数の方式が並行して進んでいます。代表的なアプローチには次のようなものがあります。

• 超伝導量子ビット
• イオントラップ
• 中性原子
• フォトニック量子計算

Jiuzhang 4.0の3,050光子実験は、フォトニック方式がどこまで拡張できるかを示す重要なマイルストーンの一つです。

将来的にこれが誤り耐性を備えた汎用量子コンピュータへ発展するかどうかは、まだ研究段階です。しかし今回の成果は、光を使った量子計算が急速にスケールアップしていることを示す象徴的な出来事と言えるでしょう。