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【2020年版】量子コンピューターについての最も興味深い事実 22

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本記事は、22 Most Interesting Facts About Quantum Computers | 2020 Edition
翻訳・再構成したものです。
配信元または著者の許可を得て配信しています。

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読了時間 : 約7分8秒

量子コンピューターはあなたの電子メールをチェックしたり、ステータスを更新したり、通常のソフトウェア/ハードウェアタスクを実行したりすることは想定されていません。 代わりに、それらはより複雑なもの、つまり量子力学に基づいています。

 

量子コンピューターは、原子のサイズよりはるかに小さい粒子を扱います。 そのような小さなスケールでは、物理法則は意味をなさない。 ここからエキサイティングなことが起こり始めます。 パーティクルは前後に移動したり、同時に存在することさえあります。 これらのタイプのコンピューターは、今日の従来のコンピューターで達成可能なものを超えて計算能力を向上させることができます。

 

現在、量子コンピューティングについて私たちが知っていることについて詳しく説明しましょう。 私たちはあなたの心を曲げる量子コンピューターについての興味深い事実のいくつかを集めました。

 

1.情報保存パターン

今日使用しているコンピューターは、データをバイナリ形式(一連の0と1)で保存しています。 メモリの各コンポーネントはビットと呼ばれ、ブール論理のステップを介して操作できます。

 

一方、量子コンピューターは、データを「0」、「1」、または2つの状態の量子重ね合わせとして格納します。 そのような量子ビット(Qubitsとも呼ばれます)は、バイナリシステムと比較してはるかに高い柔軟性を備えています。

 

キュービットは、「up | {\ uparrow} \ rangle」と「down | {\ downarrow} \ rangle」の2つのスピン状態を持つ粒子を使用して実装できます。 このようなシステムは、効果的なスピン1/2システムにマッピングできます。

 

2.ブレイジングスピード

量子コンピューターのデータは0と1の状態以外にも存在する可能性があるため、計算を並行して実行できます。 簡単な例を考えてみましょう。 キュービットが状態0と状態1の重ね合わせにあり、同様の重ね合わせで別のキュービットと計算を実行した場合、4つの結果(0 / 1、0 / 0、1 / 0、1 / 1)が残ります。

 

量子コンピューターは、デコヒーレンスの状態にあるときに上記の結果を示します。デコヒーレンスは(1つの状態に折りたたまれるまで)(状態の重ね合わせにある間)続きます。 複数のタスクを同時に実行する機能は、量子並列処理と呼ばれます。

 

3.セキュリティの再定義

量子コンピューターの速度は、暗号化と暗号化の分野でも深刻な問題です。 今日の世界の金融セキュリティシステムは、地球の寿命内の従来のコンピューターでは文字通り解読できない多数の因数分解(RSAまたはDSAアルゴリズム)に基づいています。 しかし、量子コンピューターは合理的な期間内に数値を因数分解できます。

 

一方、量子コンピューターは、破壊できないセキュリティ機能を提供できます。 はるかに優れた暗号化を使用して、重要なデータ(オンライントランザクション、電子メールアカウントなど)をロックできます。

 

多くのアルゴリズムが量子コンピューター用に開発されました。最もよく知られているのは、Groverのアルゴリズム(非構造化データベースを検索するため)とShorのアルゴリズム(大きな数を因数分解するため)です。

 

4.電力効率

電力消費は、電気で動作するデバイスの重要な要素です。 膨大な数のプロセッサは、パフォーマンスを維持するために大量の電源を必要とします。 たとえば、世界最速のスーパーコンピュータ(Summit)は、13 MWの電力を消費します。

 

しかし、物事は量子コンピューターで本当に面白くなります。 量子トンネリングを使用しているため、消費電力が100〜1000分の1になります。

 

5.代替現実

量子物理学によれば、Multiverseと呼ばれるものを扱います。この問題では、問題の可能性のある解が多数または無限にある可能性があります。 たとえば、ラップトップでこの記事を読んでいる可能性があります。 別の世界では、旅行中にモバイルでこれを読んでいる可能性があります。

 

量子コンピューターは、「n」個の並列宇宙で「n」個のタスクを実行し、その結果に到達できます。 従来のコンピューターが「n」秒で「n」回の計算を行う場合、量子コンピューターは同じ時間で「n2」回の計算を実行できます。

 

IBMのディープブルーは、1997年に世界のチェスチャンピオン、ギャリーカスパロフを破った最初のコンピューターだったことを覚えているかもしれません。 人間の脳の能力とは程遠い! しかし、それが量子マシンである場合、1秒あたり1兆移動、2秒で4兆移動、3秒で9兆移動を計算する事が可能です。

 

6.量子コンピューターを作ることがなぜ難しいのか

量子コンピューターの問題は安定性です。 それは干渉(あらゆる種類の振動が原子の振動を混乱させる)が意味不明な出力を作成することがわかります。 量子力学の電子は波のように振る舞い、波動関数によって記述されます。 これらの波は干渉し、量子粒子の奇妙な振る舞いを引き起こし、これはデコヒーレンスと呼ばれます。

 

7.涼しい温度

パフォーマンスを向上させるために安定した状態を維持するために必要な温度は、本当に低くなければなりません。 量子コンピューターを機能させるには、原子を安定させなければなりません。 そして、これらの原子を安定に保つための既知の効率的な方法の1つは、温度をゼロケルビンに下げることです。この場合、原子は熱を放出せずに安定します。

 

現在、D-Wave 2000Qシステムは最も先進的な量子コンピューターです。 その超伝導プロセッサは、0.015ケルビン(星間空間の180倍の温度)に冷却されます。

 

8.問題解決スキル

量子コンピューターは古典的なアルゴリズムを実行できます。 ただし、効率的な結果を得るには、本質的に量子のように見えるアルゴリズムを使用するか、量子エンタングルメントや量子重ね合わせなどの量子計算のいくつかの機能を使用します。

 

量子計算では、決定不能なクラスの問題は未解決のままです。 量子アルゴリズムの魅力的な点は、古典的なアルゴリズムよりも速く問題を解決できることです。 たとえば、出張中のセールスマンの問題を数秒で解決できます。これは、従来のコンピューターでは30分かかります。

 

さらに、量子コンピューターは、DNAシーケンスデータを分析することで、遠方の惑星を発見し、天気を正確に予測し、癌を早期に発見し、より効果的な薬を開発するのに役立ちます。

 

9. A.Iゲームチェンジャー

人工知能は初期段階にあります。 今日の高度なロボットは、部屋に足を踏み入れ、材料、形状、運動体を認識することができますが、それらを本当にインテリジェントにする要素がありません。 量子コンピューターは情報処理の分野ではるかに優れています。300ビットで、宇宙全体をマッピングすることができます。

 

量子マシンは、機械学習操作の速度を飛躍的に高速化し、時間を数十万年から数秒に短縮できます。

 

1ゼタバイトサイズの2つの大きなベクトル間の距離を測定するには、GHzクロックレートの従来のコンピューターでは数十万年かかります。 一方、GHzクロックレートの量子コンピューター(将来作成される場合)は、ベクトルが補助キュービットと絡み合ってから1秒しかかかりません。

 

10.すべてを高速化できるわけではない

量子コンピューターは問題を解決するための最も最適な方法を見つけますが、パーソナルコンピューターが日常的に使用するいくつかの基本的な数学の原理に依存しています。 これは、すでに十分に最適化されている基本的な演算を指します。

 

数字のセットを追加するよりも、数のセットを追加するためのより良い方法はありません。 そのような場合、古典的なコンピュータは量子コンピューターと同じくらい効果的です。

 

11.量子コンピューティングの最新の成果

ニューサウスウェールズ大学の科学者は、2015年にシリコンを使用して最初の量子論理ゲートを開発しました。同じ年に、NASAは、D-Waveによって製造された、1500万ドル相当の最初の操作可能な量子コンピューターを明らかにしました。

 

2016年、メリーランド大学の研究者たちは、最初の再プログラム可能な量子コンピューターの作成に成功しました。 2か月後、バーゼル大学は、低温で半導体の電子正孔(電子スピンを操作する代わりに)を使用する、電子正孔ベースの量子マシンのバリアントを指定しました。

 

2019年に、Google AIはNASAと共同で、量子コンピューティングの歴史における画期的な進歩である量子至上主義を達成したと主張する論文を発表しました。

 

12.システムは量子マシンのシミュレーションに使用できます

量子コンピューティングの最も重要なアプリケーションの1つは、量子シミュレータです。 スーパーコンピューターでモデル化することは不可能で、実験室で研究するのが難しい量子システムの分析を可能にします。

 

量子シミュレーターは、特定の物理問題に関する洞察を提供するように特別に設計されています。 これらは、従来のプログラム可能な「デジタル」量子コンピューターで構築でき、幅広い量子問題を解決できます。

 

これまでのところ、量子シミュレータは、トラップされたイオン、極性分子、超低温量子ガス、量子ドット、超伝導回路など、さまざまな実験プラットフォームで実現されてきました。

 

13.量子コンピュータのプログラミング言語

2020年、研究者はSliqを開発しました。これは、量子コンピューター用の理解しやすい高水準プログラミング言語です。

 

量子計算では、開発者は通常、乱雑なコードにつながる低レベルの抽象化、破棄する必要のある一時的な値など、いくつかの苛立たしいことに対処する必要があります。

 

一部の量子言語はこれを回避しようとしますが、比較的複雑な方法で機能します。 一方、Sliqは安全で自動的な計算解除をサポートしているため、直感的なセマンティクスが可能です。

 

さらに魅力的な事実と発見

14.量子コンピューティングは、1959年に有名な講義「底には十分な余地がある」でリチャードファインマンによって最初に言及されました。彼は、合成化学の拡張形式として個々の原子を操作する可能性を検討しました。

 

15.世界初の量子鍵配布プロトコルであるBB84は、1984年にIBMの研究者Gillies BrassardとCharles Bennettによって開発されました。これは、秘密鍵をあるポイントから別のポイントに安全に送信して、ワンタイムパッド暗号化で使用する手法です。

 

16. 2018年2月、物理学者は、量子計算革命を推進する可能性のある非線形量子媒質での3光子束縛状態を含む新しい形の光を思いつきました。

 

17. 2018年3月、Quantum Artificial Intelligenceラボ(大学宇宙研究協会、NASA、およびGoogleが運営)は、Bristleconeという名前の72キュービットプロセッサをリリースしました。

 

18.量子計算の現実的なモデルは、量子アルゴリズムで実行されます。量子アルゴリズムは、それらが解決する問題のタイプまたは使用する技術/アイデアによって分類できます。 現在、振幅増幅、量子フーリエ変換、ハイブリッド量子アルゴリズムに基づくアルゴリズムがあります。

 

19.量子マシンを物理的に実装するために、いくつかの異なる候補者が追求されています。 その中で、最も人気のあるものは–

・超伝導およびトラップイオン量子コンピューター

・スピンベースおよび空間ベースの量子ドット

・ダイヤモンドベースの量子コンピューター

・キャビティ量子電気力学

・分子磁石

 

20.量子状態でエンコードされたデータはコピーできません。 このデータを読み取ろうとすると、その量子状態が変更されます。 この機能を使用して、量子鍵配送の盗聴を識別できます。

 

21.これまでのところ、5つの企業が量子チップを製造しています。Google(Bristlecone)、IBM(IBM Experience and Q)、Intel(Tangle Lake)、Rigetti(19Q)、D-Wave(Ranier)です。

 

22. 2020年、カリフォルニア大学ロサンゼルス校の研究者チームは、量子コンピューター内で量子ビットをエラーなく準備および測定するための新しい記録を樹立しました。 より具体的な結果は、準備と測定のエラー率は0.03%でした。 これは、量子情報科学のほぼすべての分野に影響を与える事でしょう。

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