量子コンピューティング：量子コンピューティングへの明るい展望を開くフォトニックプロセッサー
Nature
スーパーコンピューターで9000年以上かかるタスクを、わずか36マイクロ秒で実行してしまう量子フォトニックプロセッサーについて報告する論文が、今週、Nature に掲載される。このシステムは、過去に実証されたフォトニックデバイスに対して数々の改善点があり、量子コンピューターの作製に向けた重要な一歩となる可能性がある。
量子デバイスの主要な目標の1つは、古典的システムの性能を上回り、「量子優位性」を確立することだが、この目標を達成した実験の報告件数は少ない。古典的コンピューターに対する量子システムの優位性を実証する方法の1つが、ネットワークにおける光子の伝播の特徴を示す未知の確率分布からサンプリングするタスク（ガウスボソンサンプリング）の実行速度を比較することだ。このタスクを従来のコンピューターで実行する場合の所要時間は計算できるようになっている。このタスクに関しては、光子数の閾値があり、それを超えると、古典的コンピューターは合理的な時間内で計算処理できない。
過去に報告されたガウスボソンサンプリングを行う実験では、固定された鏡とレンズのネットワーク内を伝播する最大113個の光子が用いられた。今回、Jonathan Lavoieたちは、最大219個（平均125個）の光子を検出できるプログラム可能な単一のフォトニックプロセッサー（名称Borealis）で行った実験を報告している。これは、フォトニクスを用いた量子優位性の実験として、これまでに報告されたものの中で最大のものだとLavoieたちは主張している。Borealisは、他のフォトニックプロセッサーと比べて性能が改善されており、光子検出実験の簡素化、再プログラム可能性の導入と「スプーフィング」（量子結果を古典的アルゴリズムで再現できる可能性のあること）に対する脆弱性の低減によって実現された。今回の実験が注目に値するのは、プログラム可能なフォトニックプロセッサーの方が、これまでの原理実証実験よりも商用量子デバイスの形態に近いからだ。
同時掲載のNews & Viewsでは、Daniel Jost Brodが、今回の研究は「技術的諸課題を解決しており、これによって実現可能な量子コンピューターへの長期的な競争で我々が先行できるかもしれない」と指摘している。
A quantum photonic processor that takes just 36 microseconds to perform a task that would take a supercomputer more than 9,000 years to complete is reported in Nature this week. The system has improvements relative to previously demonstrated photonic devices and may represent an important step towards creating quantum computers.
A key goal for quantum devices is for them to outperform classical systems, establishing a ‘quantum advantage’, but only a small number of experiments have reported this achievement to date. One approach to demonstrating the advantage of quantum systems over classical computers is comparing the speed with which devices sample from an unknown probability distribution that characterizes the propagation of photons through a network, a task known as Gaussian boson sampling. Calculations can be made about how long it would take classical computers to perform the same task. There is a threshold number of photons, above which classical computers are not capable of handling the computation in a reasonable time.
Previously reported experiments realizing Gaussian boson sampling have used up to 113 photons propagating through a network of fixed mirrors and lenses. Jonathan Lavoie and colleagues report experiments carried out on a single programmable photonic processor, called Borealis, that detects up to 219 photons (125 on average). They propose that this is the largest quantum-advantage photonic experiment reported to date. The improvement in performance, relative to other photonic processors, is attributed to the simplification of the photon-detecting experiment, the introduction of reprogrammability and reduced vulnerability to ‘spoofing’ (in which the quantum results could be replicated by classical algorithms). The experiment is notable because programmable photonic processors are much closer to the form that a quantum commercial device might take than are previous proof-of-principle experiments.
The work by Lavoie and colleagues “solves technological challenges that might put us ahead in the longer race towards viable quantum computers”, writes Daniel Jost Brod in an accompanying News & Views article.
doi: 10.1038/s41586-022-04725-x
「Nature 関連誌注目のハイライト」は、ネイチャー広報部門が報道関係者向けに作成したリリースを翻訳したものです。より正確かつ詳細な情報が必要な場合には、必ず原著論文をご覧ください。
