結局のところ、量子コンピュータの主要な用途には量子コンピュータは必要ないかもしれない

量子コンピューターが進歩し続けるにつれて、世界最高の従来型コンピューターよりも速く解決できる問題を特定することがますます重要になっています。しかし、量子支持者たちが将来の目標として掲げている重要なタスクには、量子コンピューターがまったく必要ない可能性があることが判明しました。

問題のタスクには、地球上の生命の実現に重要な役割を果たす FeMoco と呼ばれる分子が関与しています。それは、微生物が大気中の窒素をアンモニアに変換し、他のほとんどの生物が生物学的にアクセスできるようにする窒素固定のプロセスの一部であるためです。このプロセス中に FeMoco がどのように正確に機能するかは複雑で完全には理解されていませんが、これを解読して工業規模で再現できれば、肥料の生産にかかるエネルギーが大幅に削減され、作物の収量増加につながる可能性があります。

FeMoco を理解する上で重要な側面の 1 つは、その最低エネルギー、つまり「基底状態」エネルギーを決定することです。これには、多くの電子の挙動を考慮する必要があります。しかし、電子は波のように振る舞い、軌道と呼ばれるさまざまな領域を占める量子粒子です。多くの軌道に多くの電子が存在するこのレベルの複雑さのため、これまでのところ、FeMoco の多くの特性を計算することが従来のコンピューターでは困難でした。

研究者らは近似法を使用してある程度の成功を収めてきましたが、エネルギー推定の精度には限界がありました。一方で、数学的調査により、根本的に異なる方法でこの複雑さをエンコードする量子コンピューターが近似なしで問題を解決できることが厳密に証明されており、これはいわゆる量子の利点の確立された例です。

しかし今回、カリフォルニア工科大学のガーネット・キンリック・チャン氏とその同僚たちは、量子計算と同じ精度を達成できると思われる従来の計算方法を発見した。重要な指標は、「化学的精度」、つまり化学プロセスの現実的な予測を行うために必要な最小限の精度という考え方です。チャン氏らは、計算結果に基づいて、従来のスーパーコンピューターでも FeMoco の基底状態エネルギーをその精度で計算できると主張している。

FeMoco には多くの量子状態があり、それぞれが独自のエネルギーを持ち、基底状態を一番下にして梯子のようなものの上に配置されています。この最下位の段に到達することを古典的なコンピューター アルゴリズムにより適用しやすくするために、研究者らは、近くの段に位置する状態について私たちが知っていることと、その 1 ～ 2 段下に存在する可能性があるものについてその特性が何を意味するかに焦点を当てました。これには、たとえば、電子の量子状態の対称性に関する洞察が含まれます。

最終的に、この単純化により、研究者らは古典的なアルゴリズムを使用して FeMoco の基底状態エネルギーの上限を計算し、化学的精度と一致する不確実性を備えたエネルギー値に数学的に外挿することが可能になりました。言い換えれば、分子の最低エネルギーがいくらになるかについての最終的な答えは、将来の研究で使用できるほど正確である必要があります。

研究者らはまた、スーパーコンピューターの手法は量子手法よりも高速である可能性があり、量子デバイスでは 8 時間かかる計算を 1 分未満で実行できる可能性があると推定しています。ただし、この推定は理想的なスーパーコンピューターのパフォーマンスを前提としています。

ということは、FeMoco をすぐに理解して農業を促進できるようになるということでしょうか?完全ではありません。たとえば、分子のどの部分が窒素と最も相互作用するのか、窒素固定プロセスの中間段階としてどのような分子が生成されるのかなど、未解決の疑問がまだ多くあります。

ニューヨークのコロンビア大学のデビッド・ライヒマン氏は、「この研究は機能という点でFeMocoシステムについてあまり明らかにしていないが、量子の利点を示すモデルとしては、量子アプローチのハードルをさらに高くしている」と語る。

オーストラリアのシドニーにあるマッコーリー大学のドミニク・ベリー氏は、チームの研究は古典的なコンピューターがFeMoco問題を攻撃できることを示しているが、まだ近似しかできないのに対し、量子手法は問題を完全に解決できることを保証していると指摘する。

「これは、このような問題に量子コンピューターを使用するという議論に疑問を投げかけますが、より複雑なシステムの場合、古典的な手法の計算時間は量子アルゴリズムの計算時間よりもはるかに速く増加すると予想されます。」と彼は言います。

もう 1 つの問題は、量子コンピューターがまだ改良中であることです。既存の量子コンピューターは、FeMoco の基底状態エネルギーのような問題に対処するには小さすぎてエラーが発生しやすいものですが、自身のエラーを修正できるフォールトトレラントな新世代の量子コンピューターが間もなく登場すると予想されています。実際的な観点から言えば、それらは依然として FeMoco と関連分子を理解する最良の方法かもしれない、と Berry 氏は言います。 「量子コンピューティングにより、これらのシステムをより一般的に解決できるようになり、フォールトトレラントな量子コンピューターが利用可能になった場合には、日常的な計算が可能になるはずです。」