量子コンピューティングの初心者向けガイド |説明した

過去 10 年ほどにわたって、量子コンピューティングがコンピューター街の話題になっています。従来のコンピューターよりもはるかに速く複雑な問題を解決できる可能性は、いくつかの業界に変革とまではいかないまでも利益をもたらす可能性がある興味深い提案です。

量子コンピューターの動作は、宇宙の最小粒子を扱う物理学の分野である量子力学の原理に基づいています。

物理学者のリチャード・ファインマンは、1982 年に量子システムをシミュレートするコンピューターを開発するというアイデアを提案しました。彼は、量子と古典の両方のすべての物理をシミュレートできる万能コンピューターのアイデアについて議論しました。研究者たちは、古典的なコンピューター (今日のコンピューター) が量子システムの複雑さに対処することに気づき、量子コンピューターのアイデアが生まれました。

それ以来、科学者たちは量子コンピューティングにおいて大きな進歩を遂げてきました。

量子コンピューティングの基礎

古典的なコンピューターは古典物理学の原理に基づいて動作します。基本的な計算単位はビットです。各ビットは、0 または 1 の 2 つの値を持つ 1 つの情報を表します。2 進法を使用すると、あらゆる種類の情報を 0 と 1 の組み合わせとして表すことができます。

量子コンピューターは、量子ビットまたは量子ビットに依存して計算を実行します。古典的なビットとは異なり、量子ビットは状態 0、1、または部分的に 0 と部分的に 1 の状態で存在できます。この文脈では、状態とは量子ビットが取り得るすべての値を指します。

量子ビットが 2 つの状態になれることは、重ね合わせとして知られています。重ね合わせは、量子コンピューターを動かす 2 つの基本原理のうちの 1 つです。

回転するコインを想像してください。コインが回転している間、表になることも裏になることもあり、コインが崩れるまで、どちらであるかがわかります。量子ビットは、両方の値を同時に保持する回転するコインのようなものです。

量子ビットを測定するとき、 これは、値 0 または 1 のいずれかに崩壊します。これは、古典的なビットが 1 単位の情報を保持するのに対し、量子ビットは 2 単位の情報を保持できることを意味します。このため、量子コンピューターは複数の計算を同時に実行でき、測定によって計算の可能な結果の 1 つが明らかになります。

量子コンピューターの基礎となる 2 番目の基本原理は、エンタングルメントと呼ばれます。この現象により、量子ビットが物理的にどれだけ離れていても、それらが本質的にリンクされることが可能になります。アルバート・アインシュタインはこれを「遠くから見る不気味な行動」と呼んだことで有名です。

したがって、一方の量子ビットの状態を測定すると、もう一方の量子ビットの状態に関する情報がすぐに得られる可能性があります。あなたは手袋を持っているとします。グローブはそれぞれ別の箱に入れられて別々の場所に送られるため、どの箱にどれが入っているのかわかりません。しかし、箱を開けて左の手袋が現れると、もう一方の箱に右の手袋が入っていることがすぐにわかります。

量子ビット間の瞬時の相関により、共有情報を同時に処理できるようになり、従来のコンピューターでははるかに時間がかかる計算が高速化されます。

重ね合わせともつれは古典的な物理理論では説明できません。これらは量子力学に特化したものであり、量子コンピューターが提供する可能性の中心となります。

重要なマイルストーン

量子コンピューターは技術的に優れていますが、これは自動的に、さまざまなタスクにおいて古典的なコンピューターよりも優れていることを意味するわけではありません。

専門家は長年にわたり、量子コンピューターがより大きな偉業を達成できることを証明し、その方法を示す特定のタスクを開発し、磨き上げてきました。

1994 年、ベル研究所のコンピューター科学者ピーター ショールは、有名なショールのアルゴリズムを作成しました。このアルゴリズムは、古典的なコンピューターが必要とする数百万年ではなく、瞬時に大量の数を因数分解 (または因数分解) することができます。

これはデータのセキュリティに大きな影響を与えます。データを保護する現在の方法には、データをロックし、難しい数学的問題を解く際にロックを解除するためのキーを隠すことが含まれます。

多数の因数分解はそのような問題の 1 つであり、古典的なコンピューターはそれを解決するために膨大な量のリソースを必要とします。しかし、ショールのアルゴリズムを使用すれば、量子コンピューターは問題をすぐに解決し、錠を開けることができます。

量子コンピューティングの状況は、その後 25 年間で大きく進歩しました。たとえば、IBMは2019年に世界初の回路ベースの商用量子コンピューター「Q System One」を発表した。回路ベースの設計は、一般的な量子コンピューティング アプリケーションにとって最も汎用性が高いと考えられています。

Q System One は、古典的なコンピューターが論理ゲートを使用する方法と同様に、量子ビットを操作する量子ゲートで構成される量子回路を使用します。

同年、Googleの研究者らは、 自然 彼らの 53 量子ビットの「Sycamore」プロセッサーが量子超越性を達成したということです。

量子コンピューターは、古典的なコンピューターでは法外な時間がかかる問題を解決できる場合に、量子超越性を達成します。同論文は、スーパーコンピューターでは1万年かかるタスクをシカモアは200秒で完了したと主張した。

実際、今月初め、Google は Willow と呼ばれる量子チップを発表しました。これは、拡張するにつれて誤り訂正された量子ビットが向上する世界初の量子プロセッサであるとされています。

量子状態は、環境との相互作用によりエラーが発生しやすくなります。量子コンピューターでは、有用な計算を実行するのに十分な長さの情報を保持するためにエラー訂正が必要です。

Google によれば、Willow は標準テストを 5 分で完了できるが、同じ計算には今日の最高のスーパーコンピューターでは 10 兆年かかります。

現在の限界

進歩は急速に進んでいますが、量子コンピュータが（比較的）一般的になるまでには、克服しなければならない重要な課題がまだたくさんあります。

最大の懸念は、量子コンピューターの構築が依然として高価で複雑であることだ。多くの量子ビットを安定に保つことも、エラー率とデコヒーレンス（周囲からのノイズにより量子ビットが重ね合わせを失う場合）のせいで困難です。

新薬の発見や天文学の謎の解明など、量子コンピューターが本当に必要な問題にも、数百万量子ビットが必要です。

いずれにせよ、それらが役立つ可能性があることは明らかです。これが、インドが 2023 年に国家量子ミッションを立ち上げた理由です。政府は、量子コンピューターの開発などに 8 年間にわたって費やされるミッションのために 6,000 億ルピーを確保しました。

Tejasri Gururaj は、物理学の修士号を取得したフリーのサイエンス ライター兼ジャーナリストです。