量子コンピューティングとは完全なWIREDガイド

量子コンピューティングを支える厄介な数学のように、このまだ実用的ではないテクノロジをめぐる期待の一部は、頭がクラクラする可能性があります。 今、SFO に向かう飛行機の窓から目を細めると、シリコン バレーの上空を漂う量子の誇大宣伝の霧が見えます。 しかし、量子コンピューティングの大きな可能性は否定できず、それを利用するために必要なハードウェアは急速に進歩しています。 量子コンピューティングに頭を悩ませる絶好の機会があったとしたら、それは今です。 「シュレディンガーの重ね合わせ」と早口で 3 回言ってみましょう。

量子コンピューティングの歴史の説明

量子コンピューティングの前史は、物理学者が現実を把握できなくなったと感じ始めた 20 世紀初頭に始まります。

第 1 に、亜原子の世界について受け入れられていた説明が不完全であることが判明しました。 たとえば、電子やその他の粒子は、ニュートンのビリヤード ボールのようにきれいに動き回るだけではありませんでした。 代わりに波のように振る舞うこともありました。 量子力学はそのような癖を説明するために登場しましたが、それ自体が厄介な問題をもたらしました。 眉をひそめる例を 1 つだけ挙げると、この新しい数学は、電子の位置などの素粒子世界の物理的特性が次のように存在することを暗示していました。 確率 彼らが観察される前に。 電子の位置を測定する前に、それはここかそこかではなく、どこにでもある可能性があります。 これは、4 分の 1 が宙を舞うようなものと考えることができます。 着地する前に、クォーターは表でも裏でもありませんが、両方の可能性があります。

あなたがその困惑を見つけたら、あなたは良い仲間です。 一年前 ノーベル賞を受賞 量子論への貢献に対して、カリフォルニア工科大学のリチャード ファインマン 指摘した 「誰も量子力学を理解していない」。 私たちが世界を体験する方法は、互換性がありません。 しかし、一部の人々は、宇宙に対する私たちの理解を再定義するのに十分なほどよく理解していました. そして 1980 年代に、ファインマンを含む彼らの何人かは、素粒子の確率的存在のような量子現象を情報処理に使用できるかどうか疑問に思い始めました。 80 年代と 90 年代に形成された量子コンピューターの基本理論または青写真は、この技術に取り組んでいる Google やその他の企業の指針となっています。

量子コンピューティング 0.101 の暗い浅瀬に腹を立てる前に、通常の古いコンピューターについての理解を新たにする必要があります。 ご存知のように、スマートウォッチ、iPhone、世界最速のスーパーコンピューターはすべて基本的に同じことを行います。情報をデジタル ビット (別名 0 と 1) としてエンコードすることで計算を実行します。 たとえば、コンピューターは回路内の電圧をオン/オフして、1 と 0 を表す場合があります。

量子コンピュータもビットを使って計算を行います。 結局のところ、私たちはそれらを既存のデータやコンピューターに接続したいと考えています。 しかし、量子ビットまたはキュービットには、それらのグループが同等の数の従来のビットよりもはるかに多くのことを行うことを可能にする独自の強力な特性があります。

量子ビットはさまざまな方法で構築できますが、それらはすべて、電子的に制御できるものの量子特性を使用して、デジタルの 0 と 1 を表します。 よく知られている例としては、少なくともごく一部の人類の間では、超伝導回路や電磁場内で浮遊する個々の原子が挙げられます。 量子コンピューティングの魔法の力は、この配置により、キュービットが 0 と 1 の間で反転するだけでなく、それ以上のことを実行できることです。それらを正しく扱うと、重ね合わせと呼ばれる神秘的な特別なモードに反転することができます。

重ね合わせの量子ビットは 両方 0と1を同時に。 それは完全に真実ではなく、完全に間違っているわけでもありません。 重ね合わせの量子ビットにはいくつかの 確率 1 か 0 かのどちらかですが、どちらの状態も表さないのと同じように、4 分の 1 が宙に浮くのは表でも裏でもなく、両方の確率です。 この説明者の単純化された、あえて言えば完璧な世界では、知っておくべき重要なことは、重ね合わせの数学は、量子ビットが読み取られたときに 0 または 1 を発見する確率を表すということです。 キュービットの値を読み取る操作は、確率の混合から単一の明確な状態にクラッシュします。これは、テーブルに 4 分の 1 が確実に上向きに着地するのと似ています。 量子コンピューターは、重ね合わせで量子ビットのコレクションを使用して、計算を通じてさまざまな可能なパスで遊ぶことができます。 正しく行われた場合、正しくないパスへのポインターは相殺され、キュービットが 0 と 1 として読み取られるときに正しい答えが残ります。

従来のコンピューターでは非常に時間がかかるいくつかの問題について、これにより、量子コンピューターは従来のコンピューターよりもはるかに少ない手順で解決策を見つけることができます。 有名な量子検索アルゴリズムであるグローバーのアルゴリズムは、わずか 10,000 回の操作で 1 億人の名前の電話帳からあなたを見つけることができます。 従来の検索アルゴリズムがすべてのリストをスプールしてあなたを見つけた場合、平均で 5,000 万回の操作が必要になります。 グローバー氏のアルゴリズムやその他の量子アルゴリズムでは、最初の問題 (または電話帳) が大きくなるほど、従来のコンピューターよりも遅れをとってデジタル ダストに取り残されます。

現在、有用な量子コンピューターがない理由は、量子ビットが非常に扱いにくいためです。 それらが制御しなければならない量子効果は非常にデリケートであり、漂遊熱やノイズによって 0 と 1 が反転したり、重要な重ね合わせが消去されたりする可能性があります。 量子ビットは慎重にシールドされ、非常に低い温度で動作する必要があります。 主な研究分野には、量子ビットのグリッチによって引き起こされた自身のエラーを修正するための量子コンピューターのアルゴリズムの開発が含まれます。 これまでのところ、これらのアルゴリズムを実装することは困難でした。なぜなら、これらのアルゴリズムは量子プロセッサの能力を非常に多く必要とするため、問題を処理するためにほとんどまたはまったく残されていないからです。 一部の研究者、特にマイクロソフトの研究者は、トポロジカル キュービットとして知られる電子のクラスターから一種のキュービットを開発することで、この課題を回避することを望んでいます。 物理学者は、トポロジカル キュービットは環境ノイズに対してより堅牢であり、したがってエラーが発生しにくいと予測していますが、これまでのところ、トポロジカル キュービットを作成するのに苦労しています。 2018 年にハードウェアのブレークスルーを発表した後、マイクロソフトの研究者は、他の科学者が実験エラーを発見したため、2021 年に研究を撤回しました。

それでも、企業は限られたマシンで有望な能力を発揮しています。 2019 年、Google は 53 キュービットの量子コンピューターを使用して、スーパーコンピューターよりも高速に特定の数学的パターンに従う数値を生成しました。 このデモンストレーションは一連のいわゆる「量子アドバンテージ」実験を開始し、中国の学術グループが 2020 年に独自のデモンストレーションを発表し、カナダのスタートアップ Xanadu が 2022 年に彼らのデモンストレーションを発表しました。研究者は、「白人至上主義」を連想させることを避けるために名前を変更することを選択しました。) 研究者は、量子コンピューティングと古典コンピューティングの両方を推進する競争の中で、従来のコンピューターがより迅速に問題を処理できるようにする、より優れた古典的アルゴリズムを開発することにより、それぞれの量子優位性の主張に挑戦してきました。前方。

一方、研究者はシミュレートに成功しました 小分子 いくつかの量子ビットを使用します。 これらのシミュレーションは、まだ古典的なコンピューターの範囲を超えることはできませんが、スケールアップされれば、新しい化学物質や材料の発見に役立つ可能性があります. これらのデモンストレーションはまだ商業的価値を直接提供するものではありませんが、量子コンピューティングへの信頼と投資を強化しています。 コンピューター サイエンティストを 30 年間悩ませてきた後、実用的な量子コンピューティングは正確には近づいていないかもしれませんが、かなり近づいていると感じ始めています。