中国チーム、4光子で16量子ビットを生成——シリコンチップで精度98.7%、未査読論文を公開

中国のスタートアップと大学の研究チームが、シリコンフォトニクスチップ上で4つの光子を用いて16量子ビットのエンタングルメント状態を生成したとする未査読の論文を公開した。この成果は極低温冷却を必要とせず、標準的なシリコン・オン・インシュレータ（SOI）製造プロセスを用いており、グローバーの探索アルゴリズムで98.7%の精度を達成したと報告されている。本成果はプレプリント段階であり第三者による査読を待つ必要があるが、実証されればオンチップのフォトニック量子計算における重要なマイルストーンとなる。

■オンチップ量子計算におけるフォトニックチップの新たな証明

合肥硅臻芯片（Guizhen Chip）は、中国科学技術大学（USTC）の中国科学院（CAS）量子情報重点実験室のRen Xifeng教授のグループと共同で、フォトニック量子計算における重要なベンチマークを前進させる結果を発表した。研究チームは、4光子で16量子ビットのGHZ（グリーンバーガー＝ホーン＝ツァイリンガー）エンタングルメント状態をチップ上で安定して生成したと実証し、エンタングルメント・ウィットネスを用いて16量子ビット中10量子ビットで真の多者間エンタングルメントを検証したとしている。さらに、グローバーの探索アルゴリズムを実行し、測定された平均識別確率は0.987であったと報告している。

この98.7%という精度は、2026年7月8日に公開された論文でシュトゥットガルト大学のBarzグループが確立した、オンチップフォトニクスにおけるこれまでの最高記録である80.8%を上回るものだ。シュトゥットガルト大学の結果は、公開当時、オンチップの測定型量子計算（MBQC）におけるマイルストーンと評され、4光子のスター型および線形グラフ状態のフィデリティ（忠実度）でそれぞれ83.5%と75.6%を達成していた。Guizhen ChipとUSTCの結果は、4量子ビットから16量子ビットへ、1つの真にエンタングルした多光子状態から証明された10量子ビットの真のエンタングルメントへ、そして80.8%の識別確率から98.7%へと、あらゆる面で記録を大きく塗り替えるものだと主張されている。

ただし、このプレプリントはまだ査読を受けていない。この規模の結果が確立されたベンチマークとして受け入れられるには、査読付き学術誌への掲載が当該分野で求められる標準的なプロセスである。読者や組織は、独立した査読と再現実験を待つ間、この結果を信頼できるものの予備的な発見として扱う必要がある。

■これまでフォトニック計算が解決できなかった課題

この結果の重要性を理解するためには、IBMやGoogleなどの超伝導量子コンピューターが数百から数千の量子ビットへと規模を拡大している一方で、フォトニック量子チップがなぜ少数の量子ビットにとどまってきたのかを知る必要がある。

光子はほぼ完璧な量子情報のキャリアである。光速で移動し、室温でもデコヒーレンス（量子的な重ね合わせが失われる現象）がほとんど起こらず、シリコンフォトニクスチップは従来の半導体と同じCMOS製造ラインで製造できる。問題は、光子同士が相互作用しないことだ。超伝導量子コンピューターでは、基礎となる回路素子が物理的に相互作用するため、2つの量子ビットをエンタングルさせることは概念的に単純である。対照的に、2つの光子は互いに通り抜けてしまう。フォトニックチップ上で2量子ビットのエンタングルメント・ゲートを作成するには、損失を伴う非線形媒質を使用するか、ごく一部の確率でしか成功しない確率的な線形光学スキームを使用するしかない。

この確率的な問題は指数関数的に悪化する。2つの光子をエンタングルさせたい場合、2回目か3回目の試行で成功するかもしれない。しかし、16個の光子を同時に1つのGHZ状態にエンタングルさせようとすると、16個すべてが適切なタイミングで適切な状態として適切な場所に到達する確率は実質的にゼロに低下する。これが、これまでのオンチップの記録が4光子であった理由であり、現在までのほぼすべてのフォトニックチップの実証が2光子、せいぜい4光子の状態にとどまっている理由である。

Guizhen ChipとUSTCのアプローチは、光子に求める役割を変えることでこの制約を打ち破っている。

■高次元エンコーディングによるブレイクスルー

Guizhen ChipとUSTCの実験における中心的なイノベーションは、単一の光子の経路自由度に複数の量子ビットをエンコードしたことである。シリコン導波路チップを移動する光子は、多くの異なる導波路経路にルーティングすることができる。それぞれの固有の経路が、個別の量子基底状態となる。N個の異なる経路の重ね合わせ状態にある光子は、N個の異なるレベルを持つ量子系である「クディット（qudit）」を表し、log2(N)個の量子ビットの量子情報を運ぶことができる。

研究チームは、16の異なる経路モードを持つチップを設計し、単一の光子をそれらにルーティングすることで、1光子あたり4量子ビットをエンコードした。これにより、4つの光子が互いに相互作用することなく、16量子ビットをエンコードできる。プレプリントで説明されているように、16個の光子を同時に必要とする指数関数的な同時計数率の問題は、4光子の問題へと縮小される。

これは単なる概念上のトリックではない。このチップは、マッハ・ツェンダー干渉計と熱光学位相シフターから構築された4層のプログラム可能な測定モジュールを使用し、「高次元拡張・ルーティング・層ごとの量子測定」アーキテクチャを通じてエンコーディングを実装している。各測定層は、いかなる時点でも決定論的な光子間相互作用を必要とせずに、MBQCにおける計算ステップである適応的な単一量子ビット測定を実行する。

計算自体は、2001年に導入されたRaussendorf-BriegelのMBQCモデルに従っている。まず大規模なエンタングルメント・リソース状態を準備し、次に選択した基底で個々の量子ビットを測定することによってアルゴリズムを実行する。測定結果は古典的な情報であり、光子については高速かつ信頼性が高い。これらの測定結果が、古典的に制御されたフィードバックループにおいて、その後の測定の選択を駆動する。最後の量子ビットが測定されたとき、アルゴリズムの実行が完了する。

■独立して検証されたベンチマークとの比較

シュトゥットガルト大学のグループによる論文は、オンチップのフォトニックMBQCにおいて最も近い過去の比較対象となる。シュトゥットガルト大学のMBQCフォトニック論文に詳述されているように、SOI（シリコン・オン・インシュレータ）チップ上で4光子と8つの光学モードを使用した同グループの結果は以下の通りである。

・4量子ビットのグラフ状態のフィデリティ：83.5%（スター型）および75.6%（線形）
・グローバーの探索アルゴリズム：平均識別確率80.8% ± 0.7%
・ドイチュ・ジョサアルゴリズム：94%以上の正しい分類確率
・4重同時計数率：わずか12.1ミリヘルツ
・モードあたりの平均透過率：約12.8%

一方、Guizhen ChipとUSTCの結果は以下を主張している。

・4光子から16量子ビット（経路エンコーディングによる4倍の量子ビット圧縮）
・エンタングルメント・ウィットネスによって証明された10量子ビットの真の多者間エンタングルメント
・グローバーのアルゴリズム：平均識別確率0.987（98.7%）
・プログラム可能なシリコンチップ上でのクラスター状態の準備とGHZ状態の生成

グローバーのフィデリティにおける22パーセントポイントの差は大きく、意味がある。シュトゥットガルト大学の論文では、「将来のより大規模な実装」には決定論的な単一光子源と新しいアーキテクチャのソリューションが必要になると明記されていた。Guizhen Chipのチームは、それらの光源を待つのではなく、高次元エンコーディングという代替経路を使用した。

16量子ビット中10量子ビットで真の多者間エンタングルメントを確認したエンタングルメント・ウィットネスの手法は、厳密な証明アプローチである。これは、観測された相関が古典的な相関や部分的にエンタングルした状態の混合では説明できないことを証明している。これは単にフィデリティを報告するよりも強力な主張である。

■なぜMBQCがフォトニックチップに適しているのか

計算モデルとして測定型量子計算（MBQC）を選択したことは偶然ではない。MBQCは、フォトニック計算における最も困難な問題（決定論的なマルチ量子ビットゲート）を最も簡単な問題（単一量子ビット測定）に変換するという構造的な理由から、フォトニックハードウェアと非常に相性が良い。

回路モデルの量子コンピューターでは、すべての2量子ビットゲートが決定論的に成功しなければならない。光子の場合、これは線形光学では不可能であるか、あるいは膨大なリソースのオーバーヘッドを伴う確率的スキームを必要とする。MBQCでは、計算に必要なエンタングルメントは、成功するまで複数回試行できる事後選択的な操作を通じて、事前にリソース状態に組み込まれる。リソース状態が準備されると、その後のすべての計算は適応的な測定によって実行される。これは光子がほぼ完璧な信頼性で実行できる操作である。

研究チームは、規模を拡大した際のMBQC特有のさらなる利点として、量子ビットのコヒーレンス時間に対する要求が低いことを挙げている。回路モデルのフォトニックシステムでは、量子ビットはゲートシーケンス全体を通じてコヒーレントであり続ける必要がある。MBQCでは、コヒーレンスが必要なのはリソース状態の準備中のみであり、その後の測定は高速かつ局所的である。ゲートシーケンスが長くなってもコヒーレンス要件が長くならないことは、量子ビット数が増加するにつれて非常に重要になる。

論文ではまた、PsiQuantumやXanaduなどの企業が構築を進めているアーキテクチャである、MBQCの自然な拡張としての融合型量子計算（FBQC）についても強調している。FBQCでは、Guizhen Chipが実証したような小規模なエンタングルメント・リソース状態をベル状態測定によって融合させ、MBQCが必要とする大規模なクラスター状態を構築する。チップ上で16量子ビットのリソース状態を生成するための信頼性が高く高フィデリティな方法は、まさにFBQCのリソース状態生成層が必要としているものである。したがって、Guizhen Chipの結果は単独のマイルストーンであるだけでなく、この分野をリードする欧米企業が追求しているフォールトトレラント（誤り耐性）アーキテクチャのためのコンポーネント実証でもある。

■欧米のフォトニック企業の動向との比較

この結果が世界のフォトニック量子計算の状況においてどのような位置づけにあるのか、背景を説明する。米国とオーストラリアに拠点を置くPsiQuantum（9億4,000万豪ドルの政府支援と1億ドル（約159億円、1ドル=159円換算）のCHIPS法に基づく基本合意書による支援を受けている）は、GlobalFoundriesで製造されたシリコンフォトニクスを使用してFBQCを追求している。同社が2025年2月にNature誌で発表した論文では、チップ間プラットフォームで99.22%のフュージョンゲート・フィデリティを実証した。これはリソース状態のサイズやアルゴリズムの精度ではなく、運用上のフィデリティを測定する異なる指標である。

トロントに拠点を置くXanadu（2026年3月のSPAC合併を経てNasdaqにXNDUとして上場）は、スクイーズド光とGKP誤り訂正を使用した連続量フォトニック量子計算を追求している。これはGuizhen Chipの離散量経路エンコーディングとは全く異なる物理層である。また、QuiX Quantumは2026年4月にフォトニックチップ上で初の閾値以下の誤り緩和を実証した。

これらの欧米のマイルストーンはいずれも、同じ指標でGuizhen Chipの結果と直接比較できるものではない。3社とも異なるフォトニックアーキテクチャ、異なる誤り訂正アプローチ、異なるベンチマーク手法を使用している。比較可能なのは、離散量のオンチップMBQCにおける最先端技術であり、このプレプリントが提出されるまではシュトゥットガルト大学のグループがそのベンチマークを保持していた。

USTCのフォトニック量子計算プログラムは、単一の結果が示唆するよりも多様化している。Lu Chaoyang氏が率いるUSTCの別のグループは、2026年5月にNature誌で「Jiuzhang 4.0」の結果を発表した。これは3,050個の光子を使用するガウシアンボソンサンプリング・プロセッサであり、目標とする計算を25マイクロ秒で完了した。Jiuzhang 4.0とGuizhen ChipのMBQCの結果は、アーキテクチャ的に異なるプログラムである。Jiuzhangは直接的な商業的応用はないものの量子計算の優位性を実証するガウシアンボソンサンプリングを実行するのに対し、Guizhen Chipの結果は経路エンコードされたチップ上でプログラム可能なアルゴリズムを用いた汎用MBQCを実行するものであり、汎用量子計算に向けたクリティカルパス上にある。

■結果の独立検証と信頼性について

これらの結果が独立して検証されているかという疑問は妥当である。この結果のいくつかの構造的特徴は、精査に値する。

第一に、プレプリントは査読を経ていない。査読では、独立した研究者が実験手法、エンタングルメント・ウィットネスの計算、グローバー回路の実装、そして主張されている16量子ビット状態と実際のオンチップ測定記録との関係を評価する必要がある。その審査が行われ、出版に至るまでは、この結果は予備的なものである。

第二に、米中経済安全保障調査委員会の2025年年次報告書は、中国の量子のブレイクスルーは「しばしば独立した検証を欠いている」と指摘している。戦略国際問題研究所（CSIS）もこの懸念に同調し、中国の量子システムは「国際的な競合他社に匹敵すると報告されている」が、いくつかの注目を集めた結果について「第三者による検証は行われていない」と指摘している。これは現実の文書化された傾向である。

第三に、比較指標であるグローバーの識別確率は、一貫して使用されれば首尾一貫したベンチマークであり、シュトゥットガルト大学の論文（2026年7月）も同じMBQCフレームワークで同じアルゴリズムを使用しているため、両者は直接比較可能である。両方の実験の手法はMBQC全般に関する査読付き文献に文書化されており、実装の具体的な違い（4量子ビット対16量子ビット）こそが新しいアーキテクチャによって可能になったものである。

第四に、Pandailyの報道とarXivのプレプリントの存在は独立して確認されている。プレプリントという形式は、研究チームがタイムスタンプ付きの公開記録に結果をコミットしたことを保証している。

この結果は信頼できるが、査読レベルでは未確認である。したがって、再現され査読を受ければ、オンチップのフォトニックMBQCにおける真のステップチェンジ（飛躍的進歩）を意味する重要な前進として扱うべきである。

■研究機関の背景と安全保障上の留意点

Guizhen Chip Technology（合肥硅臻芯片）は、USTCの量子フォトニクスプログラムからスピンアウトした合肥を拠点とするスタートアップである。USTCは中国科学院（CAS）に所属する国家機関である。研究者のYu-Yang Ding氏は、チームの以前のチップ間量子ゲートに関する論文に記録されているように、USTCとGuizhen Chipの両方に所属している。過去のチームの出版物で確認されているように、この研究は中国の国家重点研究開発計画（助成金番号2022YFA1204704）および中国国家自然科学基金委員会（NSFC）から資金提供を受けている。

2017年に施行された中国の国家情報法第7条は、すべての中国の組織に対し「法律に従い、国家情報活動を支持、支援、協力すること」を義務付けている。この義務は、企業の掲げる方針、学術的な性格、サーバーの所在地に関わらず、USTC、Guizhen Chip、および中国法の下で運営される他のすべての組織に適用される。法務アナリストのJeremy Daum氏は、第7条には独立した執行メカニズムが欠けており、協力は合法的な手続きを通じて要請されなければならないと指摘しているが、それでも中国法の下で運営される組織が契約によってこの枠組みから免除されることはあり得ない。

この結果を評価する読者にとって、実用的な意味合いは消費者データのプライバシーに関する懸念ではない。これは研究用チップであり、ユーザーデータを収集する製品ではないからだ。考慮すべきは、技術移転と知的財産のリスクである。Guizhen Chipと協力したり、共同プロジェクトでこのアーキテクチャに基づいて開発を行ったりする欧米の研究者や企業は、中国の法律上、中国の情報機関がそれらの協力関係にアクセスすることを排除できない法的枠組みの中で活動することになる。

量子ハードウェアに関する米国の輸出管理（2024年9月に発効した産業安全保障局の暫定最終規則）は、34以上の完全に制御された量子ビットを持つ量子プロセッサに適用される。Guizhen Chipの16量子ビットのオンチップ状態が、規制上の定義における「完全に制御された量子ビット」に該当するかどうかは米国の輸出法の問題であり、このチームとの協力を検討している組織は弁護士と評価する必要がある。

■ロードマップ実現に向けた今後の課題

Guizhen ChipとUSTCの発表は、この結果を「一般的な100万量子ビットの光量子計算」に向けた一歩として位置づけている。NTTとOptQCが2026年8月3日の提携発表で使用したのと同じように、長期的な目標としての位置づけは不合理ではないが、重要な条件付けが必要である。

今回の結果は、プログラム可能なチップ上で4つの光子から16量子ビットを実証したものである。100万量子ビットのフォールトトレラントな動作には誤り訂正が必要となるが、フォトニックシステムは実用的な汎用計算に必要なレベルでこれを大規模に実証したことはまだない。個々の光子が導波路、検出器、カプラーで吸収または散乱する傾向があるという光子損失の問題は、依然として主要なエンジニアリング上の課題である。例えば、シュトゥットガルト大学のチップは、モードあたりの平均透過率がわずか12.8%であり、4重同時計数率はわずか12.1ミリヘルツであった。この損失プロファイルを16光子（またはそれ以上）に拡大するには、モードあたりの損失を劇的に下げるか、全く異なるシステムアーキテクチャが必要になる。

高次元エンコーディングは光子数の問題（同じ量子ビット数に必要な光子が少なくなる）を緩和するが、光子あたりの損失問題に直接対処するものではない。4量子ビットを運ぶ光子は依然として失われる可能性のある1つの光子であり、それを失うことは1つではなく4つの量子ビットを一度に失うことを意味する。より高いエンコーディング次元における量子ビット密度と損失増幅の間のトレードオフは、プレプリントが査読において対処する必要がある未解決のエンジニアリング上の問題である。

MBQCアーキテクチャのフォールトトレラントな規模への関連性は現実的だが間接的である。フォールトトレランスにはFBQCスタイルのリソース状態の融合とフォトニック誤り訂正コードが必要だが、これらはいずれのプラットフォームでも大規模に実証されていない。この結果が貢献しているのは、高品質のリソース状態がコンパクトなシリコンフォトニクスチップ上で高いフィデリティで生成できるという証拠であり、これは必要条件ではあるが十分条件ではない。

■注目ポイントQ&A

●測定型量子計算（MBQC）とは何ですか？なぜフォトニックチップに適しているのですか？

MBQCは、2001年にRaussendorfとBriegelによって開発された汎用量子計算モデルです。クラスター状態またはグラフ状態と呼ばれる、事前に準備された大規模なエンタングルメント状態にある個々の量子ビットを測定することによってのみ計算が実行されます。回路モデルの量子計算とは異なり、MBQCは計算中に2量子ビットゲートを必要とせず、適応的な単一量子ビット測定のみを必要とします。光子システムにとって、これは決定的な利点です。光子は互いに弱くしか相互作用しないため、チップ上で決定論的な2量子ビットゲートを実現するのは極めて困難です。MBQCは、難しい問題（2量子ビットゲート）を状態準備の段階に移し、確率的に実行して再試行できるようにする一方で、光子にとって簡単な問題（単一量子ビット測定）がその後のすべての計算を駆動します。その結果、光子が提供できない決定論的な相互作用を要求することなく、低デコヒーレンス、速度、光ファイバーとの互換性といった光子の自然な強みを活かせるアーキテクチャとなっています。

●複数の量子ビットを1つの光子の経路にエンコードすることで、なぜフォトニック量子計算の核心的な問題が解決するのですか？

標準的なフォトニック量子チップは、1光子につき1量子ビットをエンコードします。そのため、16量子ビットのエンタングルメント状態を生成するには、16個の光子が適切な状態で同時に存在する必要があります。この確率は光子数が増えるにつれて指数関数的に低下するため、大規模な多光子状態を実用的な速度で実現することは事実上不可能です。高次元の経路エンコーディングでは、単一の光子にチップ内を移動する16の異なる経路を与えます。これらの経路の重ね合わせ状態にある光子は、1つの粒子に4量子ビットをエンコードします。これにより、16量子ビットを運ぶのに必要な光子は4つだけになり、同時計数率の課題が「16の指数関数」から「4の指数関数」へと軽減されます。Guizhen Chipの結果は、4光子、16量子ビット、0.987のグローバー精度という形で、この圧縮を実際に実証しています。トレードオフとして、各光子がより多くの量子情報を運ぶようになるため、光子が失われた際の損失は大きくなりますが、差し引きの利点は、チップ上の最先端の記録を4量子ビットから16量子ビットへと押し上げるのに十分なものです。

●この結果は、フォールトトレランスを目指す欧米のフォトニック量子計算企業と比べてどうですか？

PsiQuantum（FBQC、GlobalFoundriesでのシリコンフォトニクス）、Xanadu（連続量GKPエンコーディング、Nasdaq上場）、QuiX Quantum（薄膜ニオブ酸リチウム、2026年4月に初の閾値以下のフォトニック誤り緩和を実証）などの企業は、それぞれ異なるアーキテクチャを追求しています。いずれも高次元経路エンコーディングを用いた離散量MBQCは使用していません。欧米で最も直接的な比較対象となるのは、シュトゥットガルト大学のグループによる2026年7月のチップ（4量子ビット、グローバー精度80.8%、商業的バックアップなし）です。Guizhen Chipの結果が欧米のフォールトトレラント・ロードマップに対して持つ実用的な関連性は、融合型量子計算（FBQC）が必要とするような高品質の小規模リソース状態を実証している点にあります。PsiQuantumとXanaduはどちらも、小さなエンタングルメント状態を融合して大きなクラスター状態にするシステムの構築を目指しており、それらの小さなリソース状態の品質が重要なパラメータとなります。16量子ビットのオンチップ経路エンコード状態で98.7%のグローバー・フィデリティを示した結果は、査読を待つ必要はありますが、PsiQuantumのフォールトトレラント・ロードマップに関連する信頼できるコンポーネントレベルの実証と言えます。

●中国の国家情報法は、この研究に関与する欧米の研究者にとって何を意味しますか？

2017年に施行された中国の国家情報法第7条は、すべての中国の組織と市民に対し、国家情報活動を支持し協力することを義務付けています。これはUSTC、Guizhen Chip Technology、および同法の下で運営されるすべての事業体に適用されます。このアーキテクチャで協力したり、これを引用して構築したりすることを希望する欧米の学術研究者にとって、懸念すべきはデータ収集ではありません。これは消費者データのパイプラインを持たない研究用チップだからです。懸念されるのは、研究のIP（知的財産）と技術移転です。Guizhen ChipやUSTCとの共同プロジェクトは、中国の情報機関のアクセスを契約上排除できない法的枠組みに該当します。量子プロセッサに関する米国の輸出管理（2024年9月に発効した産業安全保障局の暫定最終規則）という規制上の側面も加わるため、米国を拠点とする研究者や企業は、正式な協力を開始する前に評価を行う必要があります。結果自体は公開された科学であり自由に研究できますが、チームとの正式な協力は慎重な法的評価を必要とするシナリオとなります。

元記事: China Photonic Chip Hits 98.7% Grover Accuracy: Four Photons Carry 16 Qubits on Silicon