量子コンピューティングが成熟する

量子コンピューティングは、1980 年代に Paul Benioff、Yuri Manin、Richard Feynman、David Deutsch らの研究によって理論的に誕生して以来、長い道のりを歩んできました。私たちはまだ、機能する大規模な汎用量子コンピューターを持っていませんが、そう遠くないうちに実現できるかもしれません。

現在、IBM や Google などの大企業と大学の物理学研究室の領域であり、それを構築するための最適なアプローチを見つけるための模索が続けられています。量子トンネル効果を使用して問題を解決するカナダの企業 D-Wave Systems の研究は別として、量子計算を実行する最も成功した 2 つの方法は、超伝導体とトラップされたイオンを使用することです。

超電導コンピュータはジョセフソン接合を利用しています。ジョセフソン接合とは、中央に障壁のある 2 つの超電導電極で、絶対零度近くまで冷却されると量子効果を示します。一方、トラップイオンコンピュータは、荷電粒子を磁場中に浮遊させて量子ゲートを作成し、望ましい効果を引き起こします。

これらの量子効果には、状態の重ね合わせに入ることができることが含まれます。シリコン コンピューター ビットはオンまたはオフ (0 または 1) になりますが、量子ビット (量子ビット) は同時に 0、1、またはその両方になる可能性があります。これは驚くべきことですが、実際には機能しており、適切なアルゴリズムを与えれば、従来のスーパーコンピューターが計算するのに 10 億年かかる計算を午後 1 日で達成できます。

これはかなり革命的であり、「量子超越性」という用語は、量子コンピューターが従来のシリコンの処理能力を超える瞬間を示すために、カリフォルニア工科大学のジョン・プレスキル氏によって導入されました。その時点は、およそ 45 ～ 50 量子ビットのマークで動作するプロセッサを持っており、かなりの有名企業の一部は、それが急速に近づいているのではないかと考えているときに起こります。

今年初め、Google は 2017 年末までに 50 量子ビットのコンピューターを実行する計画を発表し、IBM も間もなくその目標に達する計画を立てています。その最新のマシンである17量子ビットの超伝導モデルはまだ研究室にあるが、5量子ビットのマシンは稼働中で一般公開されており、ベータテスト中の16量子ビットのコンピュータもある。 IBM Quantum Experience には 50,000 人を超えるユーザーがおり、コードを 300,000 回以上実行し、その結果を 17 の科学出版物で発表しています。 GitHub には、開始に役立つ API とコードもあります。

「心に留めておく必要があるのは、それらは完璧な量子ビットであるべきだということです」と、スイスのチューリッヒにある IBM の研究施設の量子コンピューティング科学者であるステファン・フィリップ博士は言います。 「これは環境からの影響がなく、ノイズ特性もない量子ビットです。古典的なコンピューターを上回るパフォーマンスを発揮するために必要な量子ビットの数についてはグレーゾーンがありますが、50 量子ビットが最初のしきい値です。私たちが作りたいのは万能量子コンピューターであり、それには完璧な量子ビットが必要ですが、完璧な量子ビットが見つからないことは十分に現実的です。」 quantum_computing_4_ステファン_フィリップ

(上: ステファン・フィリップ博士、クレジット: IBM Research)

必要なのは、何らかの形式のエラー修正です。 「100 または 1,000 個の不完全な量子ビットがあれば、そこから 1 つの完全な量子ビットを抽出できることがわかっています。」とフィリップは言います。 「つまり、50 個の完璧な量子ビットが必要な場合、実際の量子ビットがどの程度不完全かにもよりますが、1,000 量子ビット、あるいはそれ以上のオーバーヘッドが発生します。

「古典的なコンピューターを実際に上回る性能を備えたシステムを構築する必要があるのは依然として変わりません。私たちはこれができると確信していますが、それが今年になるか、来年になるか、あるいは 5 年後になるかは明らかではありません。」

ただし、誰もがこの量子コンピューターのモデルが今後の最善の方法であると考えているわけではありません。サセックス大学の量子技術教授であるウィンフリード・ヘンジンガー氏は、既存のトラップイオン技術を使用して量子コンピューターを構築する計画を発表しました。

「トラップされたイオンは室温で動作するため、（量子コンピューティングの）非常に魅力的な候補です」と彼は言う。 「本当に興味深い問題を解決するには、数百万または数十億の量子ビットが必要です。そのため、これらすべての量子ビットをこれほど低い温度まで冷却できることを想像してみてください。」 0.01K、つまり -273℃ のことを言っているのを覚えておいてください。

「イオンがトラップされた量子ゲートを実装する方法は、レーザー ビームのペアを使用することでした」とヘンジンガー氏は説明します。 「人間の髪の毛の幅の100分の1の精度で焦点を合わせる必要があります。イオンが数個しかない場合はこれを簡単に実行できますが、数百万、数十億の量子ビットを備えた量子コンピューターを構築したいと想像してください。エンジニアリングでは、何百万、何十億ものレーザービームが必要です。

「私たちはこれについて長い間考えてきましたが、まったく同じことを行うためにマイクロチップに電圧を印加するというまったく異なるアプローチを開発しました。私たちは今、何百万、何十億ものレーザービームを電圧に置き換えることができます。ある意味、これは古典的なコンピュータの動作とまったく同じであり、マイクロプロセッサ内のトランジスタも同じように動作します。電圧を加えると論理演算が実行されます。」

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(上: ウィンフリード・ヘンジンガー教授、クレジット: サセックス大学)

非常に多くのレーザーの裏側を見るのは悲しいことですが、少なくとも完成したコンピューターは印象的に大きいかもしれません。 「量子コンピューターは、その動作方法上、非常に小さくすることはできません。量子効果が周囲のものによって破壊されないようにイオンを分離するのは信じられないほど複雑であり、そこが見出しになるのです」コンピューターはサッカー場ほどの大きさです」とヘンシンガー氏は言います。このマシンはモジュール式である必要があり、別の技術革新である電場を使用した接続、つまり信じられないほど高速な量子 Bluetooth のようなものを使用して、多数の小型プロセッサーが相互にリンクされている必要があります。 「今日から構築を開始できますが、大型マシンの構築にはまだ 10 年かかる可能性があります。」

しかし、たとえそのような機械が作られたとしても、私たちはそれで何をするのでしょうか? IBM の Quantum Experience では、量子コンピューターで何が機能するのか、そのアルゴリズムをどのように作成するのかを解明することを目的とした実験が行われてきました。将来的には、フィリップ氏が説明するように、量子化学への応用が見られるかもしれません。「電子系を記述するには、2 つの複素数が必要です。 100 個の電子の場合、そのような数値は 2100 個必要であり、これらを保存するには、現時点で利用可能なすべてのデータ ストレージが必要になります。しかし、量子コンピューターはこの情報をビットストリームに保存する必要がなく、実際の物理オブジェクトに保存する必要があるため、これを処理できます。そして、これらの量子物体は量子力学によって記述されるため、これらの数値はすでに本質的に組み込まれています。」

ヘンジンガー氏は少し異なる見解を持っています。 「量子コンピューターは従来の高速コンピューターではありません」と彼は言います。 「それがどのように機能するかについての 1 つの解釈は、並行世界にまたがる計算を利用しているということですが、それがどれほど驚異的であるかはすでにおわかりでしょう。

「それがどのように機能するかについての 1 つの解釈は、並行世界にわたる計算を利用しているということです。」

「世界最速のスーパーコンピューターでも計算に数十億年かかるような特定の問題を、おそらく数時間で解決できます。現時点では、例では暗号化を解読していますが、解決したい問題ごとに、複数の並行世界で物事を行うこの奇妙な能力を利用する新しいアルゴリズムを作成する必要があります。ソフトウェアを使用して量子コンピューター上で実行すると、非常に高速に実行されるわけではありません。それは誤解です。」

ヘンジンガーは、第二次世界大戦中にドイツのテレプリンターの暗号を解読するためにアラン・チューリングとトミー・フラワーズが作成したコロッサス・コンピューターとの類似点を描いています。 「従来のコンピューターで言えば、量子コンピューターは現在 1940 年代にあります」と彼は私に言います。 「私たちは彼らにとても感銘を受けていますが、彼らが何ができるかはまだわかりません。」

そして、そこで実行されるものは、彼らの能力に合わせて調整する必要があります。 「量子コンピューターのアルゴリズムを書いている人は、世界で多くても 50 人程度です」とヘンシンガー氏は言います。 「重要な問題は、従来のコンピューターでは決して解決できなかったものです。永遠にかかるだろう。これは破壊的なテクノロジーであり、これまで利用できなかった機能を追加することでビジネス分野全体を変えることができます。」

これは確かに注目に値するように聞こえますが、ヘンジンガーの巨大な機械やフィリップの絶対零度冷却システムは、あまり消費者に優しいものとは思えません。最終的には全員が所有することになるでしょうか？フィリップには確信がありません。 「ラップトップを置き換えることができる量子コンピュータが登場すれば、冷却要件は解決されると思いますが、量子コンピュータがデスクトップやラップトップコンピュータに置き換わるのは近い将来ではありません」と彼は言う。 「私たちの量子コンピューターのビジョンでは、原理的には通常のコンピューターでできることはすべて実行できますが、現時点では複雑すぎるため、そのためには使用しないでしょう。」