中国の量子チップ「祖沖之3.0」：量子超越をめぐる世界競争の新たな基準

中国の量子チップ「祖沖之3.0」：量子超越をめぐる世界競争の新たな基準

世界のテクノロジー業界に波紋を広げる発表があった。中国の科学者らが、世界最速のスーパーコンピューターを1000兆倍上回るとする、105量子ビットの超伝導チップ「祖沖之3.0」量子プロセッサーを公開した。この成果を達成したのは中国科学技術大学（USTC）の研究チームで、量子超越をめぐる国際競争における重要な節目となる。グーグルなど米国のテクノロジー大手の優位に挑み、各国政府や業界関係者、世界各地の研究者の強い関心を集めている。

祖沖之3.0の画期的な点とは

祖沖之3.0プロセッサーは、規模、速度、エンジニアリングの高度さで際立っている。量子コンピューターの情報の基本単位となる量子ビットの一種、トランズモン量子ビットを105個搭載し、15行7列の長方形格子状に配置している。量子ビットにはタンタル、ニオブ、アルミニウムなどの先端材料を使用。ノイズを抑え、安定性を高めることで、信頼性の高い量子計算に欠かせない2つの要素を改善している。

祖沖之3.0で使われているような超伝導量子ビットは、複雑な計算を行えるだけの時間、量子状態（コヒーレンスとして知られる性質）を維持する必要がある。この新型チップは、コヒーレンス時間が最大72マイクロ秒、位相緩和時間が58マイクロ秒に達し、いずれも世界最高水準とされる。量子ビット設計の最適化、製造方法の改良、インジウムバンプを用いたフリップチップ接合による高精度かつ低汚染の部品接合など、綿密なエンジニアリングがこうした改善をもたらした。

量子演算をどれだけ正確に実行できるかを示すゲート忠実度も新たな水準に達した。祖沖之3.0の1量子ビットゲート忠実度は99.90％、2量子ビットゲート忠実度は99.62％で、グーグルの最新量子チップに匹敵、あるいはそれを上回る数値となっている。

競合製品と比べて祖沖之3.0はどれほど速いのか

祖沖之3.0をめぐる主な注目点は、ランダム回路サンプリング（RCS）ベンチマークでの性能だ。量子計算上の優位性を示すために設計されたこのテストでは、複雑な量子演算を連続して実行し、その出力分布を測定する。量子ビット数と回路の深さが増すにつれて、古典的なスーパーコンピューターでは急速に実行が困難になる課題だ。

最近の実験で、祖沖之3.0は83量子ビット、32サイクルのRCSタスクをわずか数百秒で完了した。試算によれば、同じタスクを世界最速の古典スーパーコンピューター「Frontier」でシミュレーションするには、約64億年かかる。参考までに、2019年に「量子超越」を達成したとして話題になったグーグルの「Sycamore」チップは、同様のタスクを200秒で実行した。グーグルは、古典コンピューターなら1万年かかると主張していた。祖沖之3.0の性能向上は単なる漸進的なものではなく、指数関数的な飛躍であり、計算能力の差を6桁広げるものだ。

グーグルの最新チップ「Willow」も105量子ビットを搭載し、同様の成果を達成している。RCS実験を古典スーパーコンピューターでシミュレーションするには10²⁵年かかるとの主張もある。ただし、実験条件や回路の複雑さが異なるため、直接比較は難しい。それでも専門家の間では、祖沖之3.0とWillowが量子ハードウェアの最前線に立ち、それぞれが技術的に可能な限界を押し広げているとの見方が広がっている。

飛躍の核心にあるエンジニアリングの革新

祖沖之2.0の66量子ビットから祖沖之3.0の105量子ビットへの飛躍は、単なる規模の拡大ではない。実現には、複数のエンジニアリング上のブレークスルーが必要だった。

• 材料科学：量子ビットの製造にタンタル、ニオブ、アルミニウムを使うことで、ノイズを抑え、コヒーレンス時間を延ばし、より長く複雑な計算を可能にする。
• フリップチップ接合：インジウムバンプを用いたフリップチップ工程により、それぞれ量子ビット配列の一部を含む2枚のサファイアチップを高精度で位置合わせし、統合できる。この方法は汚染を最小限に抑え、信号の完全性を高める。
• 量子ビット設計の最適化：コンデンサーパッドの設計、ジョセフソン接合のパラメーター、配線レイアウトの改善により、エラー率を低減し、安定性を高めた。
• 高忠実度の演算：実用的な量子計算には、ゲート忠実度を99.9％以上に高めることが重要だ。大規模な回路では、わずかなエラーでも急速に蓄積する可能性がある。

こうした革新により、祖沖之3.0は動作忠実度とエラー率で業界の新たな基準を打ち立て、より信頼性が高く拡張可能な量子システムへの道を開いた。

量子超越とは実際に何を意味するのか

「量子超越」とは、最も高性能なスーパーコンピューターを含め、どの古典コンピューターにも事実上不可能なタスクを量子コンピューターが実行できる段階を指す。現在、この優位性を示すための標準的なベンチマークはRCSだ。ただし、そこで扱われるタスクは、現実世界の多くの用途に直接役立つものではない点に留意が必要だ。古典コンピューターには難しく、量子コンピューターには容易な課題として設計されている。

祖沖之3.0の主任設計者である朱曉波氏は、量子コンピューティングのロードマップには3つの段階があると説明した。

• 特定のタスクで古典スーパーコンピューターを上回る（量子超越）
• 最適化、化学、機械学習などの分野で実用的な量子アプリケーションを見いだす
• 幅広い問題を解ける、汎用的で耐故障性を備えた量子コンピューティングを実現する

祖沖之3.0の成果は第1段階における大きな節目だが、実用的な汎用量子コンピューターの実現に向けた取り組みは続いている。専門家は、汎用的で耐故障性を備えた量子コンピューティングの実現には、なお少なくとも15年かかると見積もっている。

グーグルのWillowや世界各地の取り組みと比べてどうか

祖沖之3.0の公開により、量子コンピューティングをめぐる世界的な競争、とりわけ中国と米国の競争が激しさを増している。両国は、量子技術が経済、科学、軍事に応用される可能性に着目し、研究に多額の投資を行ってきた。

2024年後半に発表されたグーグルのWillowチップも105量子ビットを搭載し、RCSベンチマークで優れた性能を示している。比較分析によると、コヒーレンス時間やゲート忠実度など、一部の量子ビット品質指標ではWillowがやや優位に立つ一方、RCS実験の規模や速度などでは祖沖之3.0が同等、あるいはそれを上回る。

この分野のほかの主なプレーヤーには、独自の超伝導量子ビット技術で異なるアプローチを進めるIBMや、「九章」シリーズなどの光量子コンピューターに取り組む中国の研究チームがいる。それぞれのアプローチには長所と課題があり、この分野は今も大きく動いている。新たなブレークスルーが次々と生まれている。

地政学的な意味合い

量子超越をめぐる競争は、科学分野の争いにとどまらず、地政学的にも大きな意味を持つ。量子コンピューターは、暗号技術、材料科学、医薬品、物流、人工知能に革命をもたらす可能性がある。また、現在の暗号方式を無効化するおそれもあり、サイバーセキュリティーや国家安全保障上の懸念が高まっている。

米国防総省などの機関は、量子イメージング、航法、レーダー、安全な通信などに関する取り組みを挙げ、中国の量子技術の急速な進展を潜在的な戦略的脅威として指摘してきた。祖沖之3.0の公開は、世界各地で量子技術への投資と研究を加速させる可能性が高い。

今後の課題：誤り訂正、拡張性、実用化

祖沖之3.0は目覚ましい成果を上げたが、量子コンピューターが実用分野でその可能性を発揮するまでには、大きな課題が残されている。

• 誤り訂正：量子システムは本質的に不安定で、複雑な計算の実行中にエラーが急速に蓄積する可能性がある。より大規模で有用なマシンへと拡張するには、堅牢な量子誤り訂正方式の開発が不可欠だ。祖沖之の研究チームは表面符号による誤り訂正を積極的に研究し、符号距離を伸ばして耐故障性を向上させようとしている。
• 拡張性：コヒーレンスを維持し、低いエラー率を保ちながら、高品質な量子ビットを数百、数千個統合することは、極めて難しいエンジニアリング上の課題だ。チップ設計、材料、製造工程の革新が重要となる。
• 古典システムとの統合：量子コンピューターを現実の環境で役立てるには、古典コンピューティングのインフラとシームレスに連携させる必要がある。
• アルゴリズムの開発：RCSベンチマークは量子の優位性を示すものだが、実用的な問題を古典的な手法より速く解くアルゴリズムの開発は、依然として未解決の研究課題だ。

古典シミュレーションの技術やアルゴリズムが進歩するにつれ、量子の優位性を示すためのハードルも上がり続けている。RCSベンチマークは印象的ではあるものの、現実世界への影響に直結しない可能性があるとの批判もある。それでも、ハードウェア、誤り訂正、アルゴリズム開発の着実な進歩により、実用的な量子コンピューティングの実現が近づいている。

より広い影響：量子コンピューティングは世界をどう変えるのか

祖沖之3.0のような量子コンピューターの登場は、産業全体を変革する可能性がある。想定される用途には、次のようなものがある。

• 暗号技術：量子コンピューターは広く使われている暗号方式を破る可能性があり、量子耐性暗号の開発が必要になる。
• 創薬：量子シミュレーションによって複雑な分子や化学反応をモデル化し、新薬の開発を加速できる可能性がある。
• 材料科学：エネルギー、電子機器、製造分野で望ましい特性を持つ新素材の設計に、量子コンピューターが役立つ可能性がある。
• 最適化：物流、金融、サプライチェーン管理における複雑な最適化問題を、量子アルゴリズムが古典コンピューターより効率的に解ける可能性がある。
• 人工知能：量子機械学習によって、データ分析やパターン認識に新たな手法が生まれる可能性がある。

こうした可能性の多くはまだ理論段階にあるが、急速な進歩を踏まえると、実用的な量子アプリケーションが今後10年以内に登場する可能性がある。

現場の声：専門家の見方

査読者や専門家は、祖沖之3.0の研究を従来の装置からの大幅な進歩と評価し、世界をリードする性能と高度なエンジニアリングに注目している。ノーベル賞受賞者のフランク・ウィルチェック氏は、量子技術がもたらす変革の可能性について、次のように述べた。

これらの量子ツールは、より高度な量子技術の開発を可能にし、さらなるイノベーションとブレークスルーを促すだろう。

主任設計者の朱曉波氏は、チームの将来像を次のように語った。

私たちのロードマップには、古典スーパーコンピューターを上回ることだけでなく、実用的な量子アプリケーションを見いだし、最終的には汎用的で耐故障性を備えた量子コンピューティングを実現することも含まれている。

研究チームは、量子誤り訂正、エンタングルメント、シミュレーション、量子化学などの分野を積極的に研究しており、次世代の量子技術に向けた基盤を築いている。

要点

• 中国の量子チップ「祖沖之3.0」は105個の超伝導量子ビットを搭載し、世界最高性能のスーパーコンピューターの1000兆倍の性能を持つと主張している。
• 先端材料、高忠実度の演算、拡張可能なアーキテクチャーなどのエンジニアリング上の革新により、量子ハードウェアの新たな基準を打ち立てた。
• 祖沖之3.0はランダム回路サンプリングでグーグルのSycamoreを上回ったが、グーグルのWillowとの直接比較は複雑だ。
• このブレークスルーによって量子超越をめぐる世界的な競争が激しさを増しており、地政学的、経済的に大きな影響を及ぼす。
• 誤り訂正、拡張性、実用的な量子アルゴリズムの開発など、重要な課題が残されている。
• 量子コンピューティングは、暗号技術、創薬、材料科学、最適化、人工知能などの分野に革命をもたらす可能性がある。
• 専門家は祖沖之3.0を重要な節目と評価する一方、汎用的で耐故障性を備えた量子コンピューティングの実現に向けた道のりは続いていると強調している。