量子コンピューターは2025年に予想以上に役立つことが判明

過去 1 年間、私は同じ話を編集者に持ち続けました。量子コンピューターは科学的発見に役立ちつつあるということです。

もちろん、それが常に目標でした。私たちの宇宙をより深く理解するために量子コンピューターを使用するというアイデアは、量子コンピューターの誕生物語の一部であり、1981 年のリチャード・ファインマンの講演でも取り上げられました。自然をシミュレートする最良の方法を熟考して、彼は次のように書いています。「コンピューターが何であるかについてのルールを放棄することができます。こう言えます。コンピューター自体を、量子力学的法則に従う量子力学的要素で構築しましょう。」

現在、ファインマンのビジョンは、Google、IBM、さらに数十の企業や学術チームによって実現されています。彼らのデバイスは現在、量子レベルで現実をシミュレートするために使用されています。そのハイライトをいくつか紹介します。

私にとって、今年の量子開発は、6 月に私の机に着いた、高エネルギー素粒子物理学を扱う 2 つの研究から始まりました。 2 つの別々の研究チームは、2 つのまったく異なる量子コンピューターを使用して、量子場における粒子のペアの挙動をシミュレートしました。 1つはマイクロ波で制御される小さな超伝導回路で作られたGoogleのSycamoreチップを使用し、もう1つは量子コンピューティング企業QuEraが製造した、レーザーと電磁力で制御される極低温原子に基づくチップを使用した。

量子場は、電磁力などの力が宇宙の任意の位置にある粒子にどのように作用するかをコード化します。また、パーティクルをズームインしたときに表示される動作を決定するローカル構造もあります。このようなフィールドは、粒子ダイナミクスの場合、つまり粒子が時間の経過とともに何かを行っており、そのムービーのようなものを作成したい場合にシミュレートするのが困難です。素粒子物理学の標準モデルに現れる量子場の 2 つの非常に単純化されたバージョンについて、2 つの量子コンピューターがまさにこのタスクに取り組みました。

ミュンヘン大学のジャド・ハリメ氏は、この分野で働いているが、どちらの実験にも関与したことはなく、より大きな量子コンピューターでより複雑な場をシミュレートする、これらの実験のより力強いバージョンは、最終的には粒子衝突器内で粒子が何をするかを理解するのに役立つ可能性があると私にさえ言いました。

3 か月後、私は他の 2 つの研究チームと電話で、同じ 2 種類の量子コンピューターについて再び話し合っていました。量子コンピューターは現在物性物理学に使用されています。大学院で物性物理学を学んだので、私にとって物性物理学はとても大切ですが、その影響はこのコラムニストの性癖をはるかに超えています。これは、スマートフォンなどの日常機器の基礎となる半導体技術の開発にとって特に重要です。

9月、ドイツのハーバード大学とミュンヘン工科大学の研究者らは、量子コンピューターを使用して、理論的には予測されていたものの、より伝統的な実験では回避されていた物質の2つのエキゾチックな相をシミュレートした。量子コンピューターは、これらの奇妙な物質の特性を予測することに長けていることが証明されましたが、研究室での結晶の成長と調査ではこれまで達成できなかったことです。

10月にはGoogleの新型超電導量子コンピュータ「Willow」が実用化される見通しが立った。同社の研究者とその同僚は、Willow を使用して、生化学研究で分子を研究するために一般的に使用される技術である核磁気共鳴 (NMR) 分光法からのデータを解釈するために使用できるアルゴリズムを実行しました。

実際の NMR データを使用したチームのデモンストレーションでは、従来のコンピューターではできなかったことは何もできませんでしたが、アルゴリズムの数学はいつか古典的なマシンの能力を超え、研究者が分子について前例のない詳細を学ぶことができるようになると約束されています。これがどれだけ早く実現するかは、量子コンピューティング ハードウェアの改善のペースによって決まります。

1 か月後、3 番目の種類の量子コンピューターが話題になりました。 Quantinuum という会社は、トラップされたイオンから作られた Helios-1 量子コンピューターが完全な電気伝導性、つまり超伝導性の数学的モデルのシミュレーションを実行できることを示しました。超電導体は損失なく電気を伝導するため、極めて効率的なエレクトロニクスへの扉を開き、さらには送電網をより持続可能なものにする可能性があります。しかし、既知の超電導体はすべて高圧または極度の低温下でのみ機能するため、実用的ではありません。一部の材料が超電導になる理由を正確に明らかにする数学的モデルは、有用な超電導体を構築するための重要な足がかりとなるでしょう。

Helios-1 は、Quantinuum の研究者である Henrik Dryer が私に語ったものをシミュレートしましたが、これはおそらく最も重要なそのようなモデルです。 1960 年代以来物理学者の注目を集めてきたものです。そして、この特定のシミュレーションは、超伝導についての根本的な新しい洞察を提供するものではありませんでしたが、量子コンピューターをより深く理解するという物理学者の長年にわたる探求において、量子コンピューターが貴重なプレーヤーであることを発表しました。

わずか 1 週間後、私は量子アルゴリズム会社 Algorithmiq のサブリナ マニスカルコと電話でメタマテリアルについて話し合っていたことに気づきました。これらは、微細な細部を操作して、自然に存在する材料にはない特別な特性を持たせることができる材料です。また、基本的な透明マントから反応を促進する化学成分に至るまで、特定の目的に合わせてカスタマイズすることもできます。

メタマテリアルも私が大学院生の頃に手を出していたもので、マニスカルコのチームは超伝導回路で作られたIBMの量子コンピュータを使ってメタマテリアルをシミュレートする方法を考案した。具体的には、従来型のコンピュータでは困難な状況を含め、メタマテリアルがどのように情報をスクランブルするかを追跡できる可能性がある。これはかなり抽象的な設定のように聞こえるかもしれませんが、マニスカルコ氏は、これによって化学触媒、固体電池、光を電気に変換する特定のデバイスの研究が前進する可能性があると語った。

あたかも素粒子物理学、物質の新しい相、分子の研究、超伝導体、メタマテリアルだけでは十分ではないかのように、私がこのコラムの概要を説明しているときに、米国のメリーランド大学とカナダのウォータールー大学の研究チームが、トラップされたイオン量子コンピュータを使用して、強力な核力によって束縛された粒子がさまざまな温度と密度でどのように動作するかを決定した研究についてのヒントを得ました。この挙動の一部は、よく理解されていない宇宙物体である中性子星の内部で起こっていると考えられており、初期宇宙でも起こったと考えられています。

研究チームの量子計算には、強い力の最も現実的なモデルとは完全に一致しない近似が含まれていましたが、この研究は、量子コンピューターが発見マシンとして注目されている物理学のさらに別の分野の根拠を示しています。

確かに、この豊富な例には、多くの注意点や疑問符も伴います。量子ハードウェア上でシミュレートされたほとんどの数学モデルは、最も現実的なモデルと比較して、ある程度の単純化と近似が必要であり、ほとんどの量子コンピューターは依然としてエラーが発生しやすいため、それらのエラーを軽減または除去するために計算結果を後処理する必要があり、従来の最良のコンピューターが実行できることに対して量子コンピューターの結果をベンチマークするという問題は依然として厄介なままです。

簡単に言うと、従来のコンピューティングおよびシミュレーション手法は、急速かつ有望な進歩を遂げているもう 1 つの分野であり、古典コンピュータと量子コンピュータの研究者は、昨日最も複雑または最速の計算が明日の次点になるというダイナミックな行き来にさらされています。先月、IBMは他の数社と提携して、一般公開されている「量子アドバンテージ・トラッカー」を立ち上げた。これは最終的には、量子コンピューターが従来のコンピューターに比べてどこをリードしているのか、あるいはそうでないのかを示すリーダーボードとなる。

しかし、たとえ量子コンピューターが近いうちにそのリストのトップにランクインしないとしても、この 1 年間のレポートのおかげで、私の事前知識は依然として興奮と期待へと変わりました。それは、これらの実験により、量子コンピューターが科学研究の対象から、ほんの数年前には不可能だった方法で科学を行うためのツールへと効果的に移行したからです。

今年の初め、私は主にベンチマーク実験について書くことになると予想していました。ベンチマーク実験では、量子コンピューターは、有用な問題を解決するのではなく、その量子性を誇示するためのプロトコルを実行します。このような計算は、量子コンピューターが従来のコンピューターといかに異なるかを強調するのに役立ち、根本的に新しいことを行う可能性を強調することができます。しかし、そこから現役の物理学者にとって有用な計算に至るまでの道のりは長く、まったく明白ではないようでした。さて、注意しながらではありますが、その道は思ったよりも短いかもしれないと思います。 2026 年には、さらなる量子の驚きが私を待っていると確信しています。